第三章-多相流流型及判別方法

第三章多相流流型及判別方法多相流中各相介質(zhì)的分布情況稱為流型（又稱多相流流動(dòng)結(jié)構(gòu)）。在多相流分析中，最核心的部分是多相流的流型確定。流型不同，多相流動(dòng)的流動(dòng)特性和傳熱、傳質(zhì)性能均不同。下面以石油工業(yè)中廣泛應(yīng)用的氣—液兩相流、液—液兩相流、氣—液—液三相流的流型分析為例，討論多相流的流型及其判別方法。第一節(jié)

描述多相流的主要參數(shù)及其計(jì)算公式以最常見(jiàn)的氣液兩相流（其它多相流可類推）為例，描述多相流的各種參數(shù)有：一、流量（一）質(zhì)量流量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管路橫截面的流體質(zhì)量稱為質(zhì)量流量。對(duì)于氣液兩相混輸管路有：2024/11/161第三章多相流流型及判別方法（二）體積流量單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)管路橫截面的流體體積稱為體積流量。對(duì)于氣液兩相混輸管路有：二、流速（一）氣相和液相速度氣相速度：液相速度：（二）氣相和液相的折算速度氣相折算速度：2024/11/162第三章多相流流型及判別方法液相折算速度：（三）氣液兩相混合物速度（四）氣液兩相混合物的質(zhì)量流速三、滑差和滑動(dòng)比滑差：2024/11/163第三章多相流流型及判別方法滑動(dòng)比：四、含氣率和含液率（一）質(zhì)量含氣率和質(zhì)量含液率質(zhì)量含氣率：質(zhì)量含液率：（二）體積含氣率和體積含液率體積含氣率：2024/11/164第三章多相流流型及判別方法體積含液率：（三）截面含氣率和截面含液率（又稱持液率）截面含氣率：截面含液率：（四）三種含氣率間的關(guān)系體積與質(zhì)量含氣率：2024/11/165第三章多相流流型及判別方法對(duì)于截面含氣率有：一、兩相混合物密度氣液兩相混合物密度有兩種表示方法：（一）流動(dòng)密度（二）真實(shí)密度六、兩相混合物粘度（一）杜克勒（Dukler）計(jì)算式：2024/11/166第三章多相流流型及判別方法（二）麥克達(dá)姆（MeAdam）計(jì)算式：（三）西克奇蒂（Cieccheitti）計(jì)算式（四）阿黑尼厄斯（Arrhenius）計(jì)算式第二節(jié)多相流的各種流型多相流的流型劃分通常有兩類方法：一類是按照流體的外觀形狀來(lái)劃分；另一類則是根據(jù)相的分布特點(diǎn)來(lái)劃分。通常說(shuō)來(lái)，基于現(xiàn)象描述的劃分方法多用第一種，而基于流動(dòng)機(jī)理的劃分方法則多用第二種。2024/11/167第三章多相流流型及判別方法圖3-1水平氣液兩相流流型兩類劃分方法示意圖一、氣液兩相流流型（一）水平或微小傾角（＜5o）管中氣液兩相流流型2024/11/168第三章多相流流型及判別方法1、水平不加熱氣液兩相流流型圖3-2水平不加熱氣液兩相流流型2024/11/169第三章多相流流型及判別方法一些學(xué)者將過(guò)渡區(qū)域進(jìn)一步細(xì)分，得到更精細(xì)的流型劃分圖。如埃爾烏斯(Alves)法(8種流型)就另加了兩種流型(如圖3-3)：圖3-3埃爾烏斯細(xì)分出來(lái)的兩種流型2、水平受熱蒸發(fā)管氣液兩相流的流型劃分水平蒸發(fā)管由于加熱，在管中出現(xiàn)相變，其基本流型演變過(guò)程為：圖3-4加熱水平蒸發(fā)管氣液兩相流的流型2024/11/1610第三章多相流流型及判別方法（二）垂直上升氣液兩相流的流型劃分1、垂直上升（立式）不加熱氣液兩相流流型圖3-5垂直上升不加熱氣液兩相流的流型2024/11/1611第三章多相流流型及判別方法2、垂直上升（立式）受熱氣液兩相流流型同水平蒸發(fā)管類似，由于加熱，在垂直上升管中出現(xiàn)相變，其基本流型演變過(guò)程為：圖3-6垂直上升受熱氣液兩相流的流型從圖中可以看出，管線在受熱后仍保持了垂直管線流型的對(duì)稱性這一特點(diǎn)。

（三）垂直下降氣液兩相流的流型劃分圖3-7是氣液兩相流在管中垂直向下流動(dòng)時(shí)的流型示意圖。這種環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升氣液兩相流的環(huán)狀流型相近，但流向相反。2024/11/1612第三章多相流流型及判別方法圖3-7垂直下降氣液兩相流的流型（四）傾斜管內(nèi)氣液兩相流的流型劃分向下傾斜時(shí)，以層狀流為主；向上傾斜時(shí)，以間歇流為主。通常，當(dāng)管路2024/11/1613第三章多相流流型及判別方法傾角超過(guò)30°時(shí)，流型變化接近垂直管路的流型。二、液液兩相流流型（一）水平管液液兩相流流型示意圖圖3-8劃分較粗略的水平油水兩相流流型2024/11/1614第三章多相流流型及判別方法在國(guó)內(nèi)，西安交通大學(xué)的劉文紅等人經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，提出了劃分更細(xì)致的水平管油水兩相流的流型圖：圖3-9劃分較詳細(xì)的水平油水兩相流流型2024/11/1615第三章多相流流型及判別方法（二）垂直上升管的液液兩相流流型劃分圖3-10垂直上升油水兩相流流型三、氣液液三相流2024/11/1616第三章多相流流型及判別方法（一）水平管氣液液三相流流型圖3-11水平管氣水三相流流型2024/11/1617第三章多相流流型及判別方法（二）傾斜管氣液液三相流流型關(guān)躍波等人對(duì)傾斜下降管油氣水三相流流型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，描述了各種流型下的測(cè)量信號(hào)特征，將下降傾斜管中的氣液液三相流型分為泡狀流、分層流、彈狀流和環(huán)狀流四種。但沒(méi)有給出具體的流型示意圖。

四、液固兩相流（一）水平管液固兩相流流型示意圖圖3-12水平管液固兩相流流型示意圖2024/11/1618第三章多相流流型及判別方法（二）垂直上升管液固兩相流流型示意圖圖3-13垂直上升管液固兩相流流型示意圖2024/11/1619第三章多相流流型及判別方法五、氣固兩相流氣固兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和液固兩相流流型相似。第三節(jié)

多相流流型判別方法影響流型的因素很多，主要有以下幾項(xiàng)：流型與各相流體流量流型與流體的物理性質(zhì)流型與管徑流型與傾角2024/11/1620第三章多相流流型及判別方法第四節(jié)多相流流型判別方法一、氣液兩相流流型判別方法（一）純水平管氣液兩相流流型判別方法1、基于流型圖的流型劃分方法A）貝克（Baker）流型圖判別法式中：Δg——管路條件下氣體對(duì)空氣的相對(duì)密度；

Δl——管路條件下液體對(duì)水的相對(duì)密度；

σw——水的表面張力，σw=73×10-3N/m；2024/11/1621第三章多相流流型及判別方法圖3-14貝克流型分界圖2024/11/1622第三章多相流流型及判別方法為了便于在計(jì)算機(jī)上使用，可用圓錐曲線和直線對(duì)各流型分界線進(jìn)行回歸，得到各流型的分界線：

1）分界曲線C1~C4的方程：C1:其中：t1 =-0.2416111x-0.3066479s1=t12-1.88392(-0.03503182x+0.0009900329)(x+1)C2:其中：t2 =0.9651259x-2.929975s2=t22+2.507024(-0.6786298x+1.371668)(x-0.3992537)C3:2024/11/1623第三章多相流流型及判別方法其中：t3 =-0.1802189x-0.6310028s3 =t32-1.68626(-0.06970762x+0.3322258)(x+0.1417911)C4:其中：t4=0.03879953y-0.5815664s4=t42+0.1132445(-0.1796877y+0.7710848)(y-5)2）分界直線：L1~L3的方程為：L1:L2:L3:3）流型判別程序流程圖2024/11/1624第三章多相流流型及判別方法圖3-15貝克流型判別程序流程圖開(kāi)始輸入已知數(shù)據(jù)計(jì)算Bx,By,x,yP(x,y)在L1之下嗎？P(x,y)在C1之下嗎？波狀流層狀流P(x,y)在C4及L3之右嗎？P(x,y)在L2之下嗎？P(x,y)在C2之下嗎？P(x,y)在C3之下嗎？氣泡流氣團(tuán)流沖擊流環(huán)狀流按流型計(jì)算相關(guān)參數(shù)輸出流型結(jié)束霧狀流是是是是是否否否否否否是2024/11/1625第三章多相流流型及判別方法B）Scott流型圖1963年，Scott對(duì)Baker圖作了修正，提出了修正的Baker流型圖（如圖3-16）。圖3-16Scott修正后的貝克流型分界圖2024/11/1626第三章多相流流型及判別方法C）Schieht流型圖圖3-17Schiehtj流型分界圖2024/11/1627第三章多相流流型及判別方法D）曼德漢（Mandhane）流型圖判別法圖3-18曼德漢流型分界圖2024/11/1628第三章多相流流型及判別方法E）韋斯曼（Weisman）流型圖判別法圖3-19韋斯曼流型分界圖2024/11/1629第三章多相流流型及判別方法（二）微小傾角管路氣液兩相流流型判別方法A）泰特爾(Taitel)流型劃分法圖3-20泰特爾流型分界圖2024/11/1630第三章多相流流型及判別方法1）假想液位高度的求法2）分層流轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇流和環(huán)霧流的判別準(zhǔn)則SiAgAlhldSgSlθ氣相液相2024/11/1631第三章多相流流型及判別方法3）間歇流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀液霧流的判別準(zhǔn)則間歇流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀液霧流的分界線方程為：

4）分層光滑流轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱硬ɡ肆鞯呐袆e準(zhǔn)則吉弗列(Jeffrey)等人提出用下式作為分層光滑流轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱硬ɡ肆鞯呐袚?jù)：5）間歇流轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚馀萘鞯呐袆e準(zhǔn)則2024/11/1632第三章多相流流型及判別方法B)泰特爾(Taitel)流型劃分法的相關(guān)改進(jìn)準(zhǔn)則

1）分層流轉(zhuǎn)變?yōu)殚g歇流和環(huán)霧流的判別準(zhǔn)則當(dāng)Fr＜0.538時(shí)，將在水平管中產(chǎn)生分層流。2）間歇流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀液霧流的判別準(zhǔn)則I、Xiao等人的改進(jìn)準(zhǔn)則若滿足方程hl/d＜0.35，流型為環(huán)狀液霧流；hl/d＞0.35，則為間歇流。2024/11/1633第三章多相流流型及判別方法II、胡志華等人的改進(jìn)準(zhǔn)則若上式成立，則表明流型從間歇流過(guò)渡到了環(huán)狀流。3）分層光滑流轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱硬ɡ肆鞯呐袆e準(zhǔn)則上式成立，則流型為分層波浪流。C）韋斯曼（Weisman）流型劃分法環(huán)狀流過(guò)渡：分散—間歇流過(guò)渡：2024/11/1634第三章多相流流型及判別方法彌散流—環(huán)狀流、間歇流、泡狀流過(guò)渡：

環(huán)狀流—間歇流過(guò)渡：

式中|dP/dx|sl

——沿每單位長(zhǎng)度的流體的壓降絕對(duì)值2024/11/1635第三章多相流流型及判別方法（三）垂直上升管中氣液兩相流型判別方法1、休惠特（Hewitt）的垂直上升管氣液兩相流流型判別法圖3-22休惠特的垂直上升管中氣液兩相流流型判別圖2024/11/1636第三章多相流流型及判別方法（四）垂直下降管中氣液兩相流流型判別方法圖3-23Osgubowo和Charles的垂直下降管中氣液兩相流流型判別圖2024/11/1637第三章多相流流型及判別方法（五）傾斜管路氣液兩相流型判別方法1、布里爾(JamesP.Brill)流型劃分法圖3-24布里爾流型分界示意圖（傾角=70°，介質(zhì)：空氣—煤油）2024/11/1638第三章多相流流型及判別方法判別氣液兩相管路流型的計(jì)算流程圖為：

圖3-25布里爾流型劃分法流程圖分層流Nlw＞NlwTS|θ|

＞30oNgw＞NgwBSNgw＞NgwBSθ＞0Ngw≥NgwsmNlw＞NlwBSNlw＞NlwST沖擊流氣泡流分層流沖擊流氣泡流沖擊流氣泡流環(huán)狀彌散流YesNoNoNoNoNoNoNoNoYesYesYesYesYesYesYes2024/11/1639第三章多相流流型及判別方法一、液液兩相流流型判別方法（一）水平管液液兩相流流型判別方法1、基于流型圖的流型劃分方法A）戈維（Govier）等人的水平管油水兩相流流型判別法圖3-26戈維的水平管中油水兩相流流型圖2024/11/1640第三章多相流流型及判別方法B）劉文紅等人的水平管油水兩相流流型判別法圖3-27劉文紅等人的水平管中油水兩相流流型圖2、基于流動(dòng)機(jī)理的流型劃分方法2024/11/1641第三章多相流流型及判別方法A）分層流向油塊狀流(SLUG)、三層流(3L)和油滴分層流(ODST)的轉(zhuǎn)變界限B）三層流(3L)向油滴分層流(ODST)的轉(zhuǎn)變界限式中： ρo

——油密度，Kg/m3； ρw

——水密度，Kg/m3；

wso

——油相的折算速度，m/s；

wsw

——水相折算速度，m/s； g

——重力加速度，m/s2； σ

——表面張力，N/m； μo

——油的動(dòng)力粘度，Pa.s； μw

——水的動(dòng)力粘度，Pa.s。2024/11/1642第三章多相流流型及判別方法C）油滴分層流(ODST)向完全分散混合流(M)的轉(zhuǎn)變界限D(zhuǎn)）油基環(huán)狀流(OA)的轉(zhuǎn)變界限E）油—油滴分散流分層流(2L)的轉(zhuǎn)變界