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)流過管路橫截面的流體質(zhì)量稱為質(zhì)量流量。對于氣液兩相混輸管路有：2024/11/121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)流過管路橫截面的流體體積稱為體積流量。對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：2024/11/122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：2024/11/123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：2024/11/124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：2024/11/125第三章多相流流型及判別方法對于截面含氣率有：五、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：2024/11/126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劃分；另一類則是根據(jù)相的分布特點(diǎn)來劃分。通常說來，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。2024/11/127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2024/11/128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2024/11/129第三章多相流流型及判別方法一些學(xué)者將過渡區(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，其基本流型演變過程為：圖3-4加熱水平蒸發(fā)管氣液兩相流的流型2024/11/1210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2024/11/1211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。2024/11/1212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2024/11/1213第三章多相流流型及判別方法傾角超過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2024/11/1214第三章多相流流型及判別方法在國內(nèi)，西安交通大學(xué)的劉文紅等人經(jīng)過實(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2024/11/1215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2024/11/1216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水平管油氣水三相流流型2024/11/1217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量信號特征，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2024/11/1218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2024/11/1219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。在圖3-13中如將液體換為氣體，即可得到氣固兩相流流型示意圖。

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2024/11/1220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——管路條件下氣體對空氣的相對密度；

Δl——管路條件下液體對水的相對密度；

σw——水的表面張力，σw=73×10-3N/m；2024/11/1221第三章多相流流型及判別方法圖3-14貝克流型分界圖2024/11/1222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)C3:2024/11/1223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2024/11/1224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2024/11/1225第三章多相流流型及判別方法B）Scott流型圖1963年，Scott對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2024/11/1226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2024/11/1227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2024/11/1228第三章多相流流型及判別方法第五節(jié)

氣液兩相流典型流型分析在氣液兩相流典型結(jié)構(gòu)分析中，為了反映流動(dòng)本質(zhì)，可將相似流型區(qū)域合并，按以下流型：分層流、環(huán)狀流、分散氣泡流和段塞流四種流型分析。

一、分層流（一）分層流的幾何模型SiAgAlhlDSgSlα氣相液相式中： α ——管線傾角； Ag、Al ——?dú)狻⒁合噙^流面積；

Sg、Sl ——管路橫截面上氣相濕周；2024/11/1229第三章多相流流型及判別方法（二）分層流的物理模型（三）分層流各參數(shù)間的關(guān)系式中： g

——重力加速度； ρg

——?dú)庀嗝芏龋?ρl

——液相密度；

τwg

——?dú)庀嗯c管壁的剪切應(yīng)力；

τwl

——液相與管壁的剪切應(yīng)力； τi

——?dú)庖合嚅g剪切應(yīng)力。θhlD2024/11/1230第三章多相流流型及判別方法1、液位高度同氣液分解線與管截面圓心所張圓心角θ2、截面含液率HL與氣液分解線與管截面圓心所張圓心角θ的關(guān)系3、氣相和液相的管壁濕周和氣液分界面的寬度4、氣液相所占管路橫截面積2024/11/1231第三章多相流流型及判別方法5、氣液相平均流速（四）分層流本構(gòu)方程1、氣液相水力半徑2、氣液各相與管壁的單位長度剪切力及氣液相間單位長度剪切力2024/11/1232第三章多相流流型及判別方法式中，f為范寧系數(shù)。3、氣液各相范寧系數(shù)的求法當(dāng)Re≤2000時(shí)：當(dāng)Re＞2000時(shí)：由于上式為一隱函數(shù)，不易求解。如精度要求不高，可用下式求解：2024/11/1233第三章多相流流型及判別方法1、氣液相間范寧系數(shù)的求法當(dāng)wsg≤wsg,t時(shí)：當(dāng)wsg＞wsg,t時(shí)：其中：wsg,t為光滑流轉(zhuǎn)變?yōu)椴盍鞯呐R界表觀氣相速度，它的表達(dá)式為：（五）確定分層流結(jié)構(gòu)的方法在確定分層流流動(dòng)結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，可采用以下解法：1）將本構(gòu)方程和分層流幾何關(guān)系代入物理模型中，可得到僅含液位高度hl的一元方程。用二分法求解該方程，得到分層流動(dòng)時(shí)液位高度hl。2024/11/1234第三章多相流流型及判別方法2）結(jié)合分層流幾何關(guān)系，可確定出各相濕周、持液率等結(jié)構(gòu)參數(shù)；3）用各相流量和持液率求解各相流速；4）用各相流速求解氣、液相與管壁的范寧系數(shù)和相間的范寧系數(shù)。二、環(huán)狀流（一）環(huán)狀流的幾何模型式中： α——管線傾角；

Ac、Af——?dú)夂恕⒁耗さ倪^流面積；

Sl——管路橫截面上液相濕周；

Si——管路橫截面上氣液相間界面長度。α氣相液相SiAcAfDcDSgSlδ2024/11/1235第三章多相流流型及判別方法（二）環(huán)狀流的物理模型式中： g

——重力加速度； ρc

——?dú)夂嗣芏龋?ρl

——液膜密度。

τwl

——液相與管壁的剪切應(yīng)力； τi