黏性段塞稳定模型预测水平气液两相流流型转变

在内径50.4 mm水平管道上进行气液两相流实验,实验介质是2种不同黏度的油,根据两相表观速度绘制流型图。使用段塞稳定性模型预测段塞流的转变边界。由于黏度增加阻碍大振幅波和滚动波的起波和波增,黏度大的液体出现段塞的临界液层高度高于黏度小的液体。段塞稳定性模型低估了大黏度液体的临界液层高度和临界表观速度。考虑液体黏性对段塞体内部湍流扰动的抑制作用以及气液表面张力的影响,修正了Benjamin泡移动速度关系式。修正后的段塞稳定性模型对中、低黏度液体适应性较好,预测出现段塞流的临界条件和实验数据比较吻合。     

利用一维波和段塞稳定性模型预测分层流向段塞流的转变

利用气液二相流一维波模型和段塞稳定性模型,对直径2.54 cm水平管内空气-水二相流出现段塞流时的各相临界表观速度和临界液层高度进行了理论预测。计算中发现,2种模型分别适用于不同的流速区域,在较低的气相流速下,一维波模型的预测结果比较理想,但是在较高的气速条件下不太适合,而利用段塞稳定性模型可以较好地获得高流速下分层流向段塞流的流型转变条件。因此,结合这2种模型对发生流型转变时的临界参数作了分析,并且应用于40 mm和50 mm水平管道的油气二相流实验。将理论计算的结果和实验测得的流型数据进行了对比,并且对影响流型的管径、流速等因素作了分析,结果表明计算得到的特征参数和实验数据比较吻合。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15~35 m/s、液相表观流速0.1~0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

水平管环状流液膜厚度与波动参数分布

环状流是常见的一种气液两相流流型,基于双平行电导探针阵列传感器设计了环状流液膜动态测量系统,以水和空气为介质,进行了气相表观流速15～35 m/s、液相表观流速0.1～0.4 m/s范围内的水平管环状流周向液膜测量实验,分析了水平管环状流的液膜厚度、相界面波动参数的空间分布与发展变化规律。结果表明,水平管环状流底部液膜厚度随气相表观流速的增加而减小,随液相表观流速的增加而增大,但在高液相表观流速时有饱和趋势,对应条件下周向其他位置的液膜厚度持续增大,尤其在45°位置显著增大,下半周液膜分布趋于平缓;由底部到顶部,液膜波速和波频在周向上均呈逐渐减小趋势,与液膜厚度的分布规律一致,大幅度的扰动波主要分布在底部;底部液膜波速和波频随气相表观流速增加而增大,液相表观流速增加时,波速随之增大,但波频无明显变化,对应波长增大。     

微通道气液两相流型及界面面积测定

以氢氧化钠水溶液及纯二氧化碳气体为工质,研究了石英玻璃微通道中的气液两相流流型及两相界面面积.实验中可清晰分辨的流型为弹状流(Slug),弹状-环状流(Slug-annular)及搅拌流(Churn),由实验观测的结果建立了相应的流型图并与Triplett实验结果进行了比较,结果表明高液相表观流速对流型转换影响较大.在微通道中可以实现比较高的气液两相界面面积,实验范围内气液两相界面面积高达5 070 m2/m3.两相界面面积随气相表观流速的增加而增加,而液相表观流速对两相界面面积的影响则不显著.相对于弹状流区域,在弹状-环状流及搅拌流区域可以实现比较高的传质界面面积.搅拌流区域气液两相界面面积可以采用气液表观雷诺数进行很好关联,其绝对平均偏差仅为3.76%.     

水平管段塞流气弹区液膜特性研究

为了研究气液段塞流相界面的结构特征,采用了双平行电导探针技术对水平管内段塞流气弹区的液膜特性进行了实验测量,并基于一维双流体模型导出液膜厚度的控制方程,该方程对液膜厚度的预测结果与实验结果吻合良好。结合液膜厚度计算模型提出了计算段塞流的机理模型,该段塞流机理模型的计算结果表明对于液相表观速度较高而气相表观速度较低的段塞流,机理模型中忽略液膜非平衡性时得到的平均液膜厚度和气弹区长度明显偏低。     

基于临界分流理论的气液两相流均匀分配器

提出了一种新型气液两相流分配器,主要由旋流叶片、整流器、分流喷嘴以及分配腔室组成。通过采用“流型调整”与“临界分流”控制相分离。为研究不同分流比下的分配特征,设计了2喷嘴和4喷嘴两种分配结构。建立了气液两相流数值模型,模拟了气液两相流在分配器内流动特性。在气液两相流实验环道上进行了测试,气相折算速度范围为5.0～25.0 m·s^-1,液相折算速度范围为0.012～0.14 m·s^-1,实验中出现的流型包括波浪流、段塞流以及环状流。结果表明,在临界分流条件下,气液相分流系数主要取决于与侧支管相连通的分流喷嘴数目与总喷嘴数目的比值,不受流型、气液流速等参数波动的影响。对于2喷嘴分配器分流系数接近理论值0.5,对于4喷嘴气液分流系数约为0.25。     

周期性扩缩微通道内气液两相流型及其演变特性

以空气和水为实验工质,利用IDT高速摄像仪和Nikon生物显微镜组成的可视化系统对水平放置的PDMS周期性扩缩微通道内的气液两相流型及其演变特性进行实验研究。观察到的主要流型为间歇流和分离流。对于间歇流,气体以离散形式分布在液相中或者是液体以分散形式分布在气相中,而且气相分散跟液相分散交替存在。对于分离流,气体主要沿气体进口壁侧流动,液体主要沿液体进口壁侧流动。两相中存在明显的分界面,沿流动方向界面产生波动。通过改变气液两相表观流速,得到气液两相流型分布,进而提出间歇流与分离流流型转换的准则关系式。结果表明,同一液相表观流速下,三角凹穴型微通道间歇流向分离流转变所需的气相表观流速略小于扇形凹穴微通道。     

微通道反应器内气液二相流压降的研究

以氮气和去离子水为研究体系,采用混合均质模型,在内径分别为900μm和500μm的圆形微通道中针对微通道反应器内气液二相流的压降进行研究。分析了黏度、气液表观速度等因素对微通道反应器中气液二相摩擦压降的影响。结果表明:均相流模型与分相流模型在微通道反应器内适用性均有限;采用Mc Adams黏度公式对微通道内的压降进行理论计算,其结果与实际测量所得压降值吻合良好;微通道反应器中的气液二相摩擦压降随气液二相表观速度的增大而增大;将实验结果与分相流模型的预测值进行比较,分相流模型中Lockhart-Martinelli关系式不能很好地预测微通道中气液二相流的摩擦压降。     

液相介质对水平气液间歇流动的压降影响

研究了水平管内不同液相介质(水、油和不同浓度的CMC溶液)对气液两相间歇流动压降的影响. 实验管道为内径50 mm的透明有机玻璃管,从入口到分离器长约30 m,实验段由2个长3 m的水平管组成. 共记录了320组不同表观流速下的压降信号：油相0.17~1.85 m/s,水相0.17~2.48 m/s,CMC溶液0.17~1.42 m/s,气相0.06~3.40 m/s. 结果表明,液相为牛顿流体(油或水)的气液流动,随着表观气相流速的增大,压降呈增加趋势;非牛顿幂率流体(不同浓度的CMC溶液)的管道流动,当流动指数低于一定值时,压降随气相流量的增加呈降低趋势,并且低于单液相流动的压降. Lockhart-Martinelli模型过高地预测了气-非牛顿幂率流体两相的压降.     

湿气管道积液临界气速预测的新模型

气田开发经常采用湿气集输方案。针对湿气输送管道出现的积液问题，基于分层流最小界面剪切应力准则，利用气液平界面分层流液膜区的速度分布规律，建立了求解积液临界气速的新机理模型。由分层流液膜区的流场描述和气相动量方程得到气液界面剪切应力的表达式；利用界面剪切应力函数曲线特性，可以通过界面剪切应力关于持液率求导获得临界气速。以不同文献中收集的临界气速实验数据，对新模型和其他具有代表性的湿气管道积液模型进行验证对比，表明新模型的预测精度要优于其他模型。     

滴流床反应器内脉冲流流体力学特性参数的模型预测

通过对气流两相在填料床反应器并流向下流动情况的分析,提出了计算如气、液两流体在富液和富气脉冲柱内的速度、持流量及脉冲柱长度等流体力学参数的数学模型方程,为使模型方程封闭,根据实验数据提出三个经验关联式关联表观脉冲速度、脉冲频率和平均持流量三个宏观平均参数,模型计算结果与分析结论吻合良好。     

用统计方法研究未充分发展弹状流动

在一内径19 mm、长2 m的垂直有机玻璃管内,采用自制的电导探针对未充分发展的气-液二相弹状流中的弹状气泡上升速度、液塞上升速度、弹状气泡长度和液塞长度进行了测量。得到了各自随表观气速或表观液速的变化规律。结果表明:在未充分发展的弹状流状态下,弹状气泡的上升速度略高于液塞的上升速度:弹状气泡长度随表观气速的增大而增大,随表观液速的增大而减小。文章对弹状气泡长度进行了统计分析。未充分发展弹状流中弹状气泡长度符合正态分布律。     

油气水三相段塞流与滚动波流型的转变

Compared with gas-liquid two-phase flow,oil-gas-water three-phase flow is much more complex. There is immiscible oil-water,whose interaction and dispersion greatly affects the flow characteristics. The slug flow pattern of oil-gas-water three-phase and its flow pattern transition were studied in a 95 m long,51 mm i. d. horizontal pipe. The oil-gas-water three-phase slug flow pattern could be classified into five sub-flow patterns. The slug flow was W/O or O/W one during its transition to roll wave,which was three-layer flow pattern without mixed-phase on the interface. An even larger superficial gas velocity was needed for the transition boundary of slug flow and roll wave flow when the superficial liquid velocity is large. Besides,the region of roll wave flow pattern became smaller. The above-mentioned transition only happened when the water cut of liquid was between 30% and 70%. At the same superficial liquid velocity,there appeared a minimum superficial gas velocity corresponding to the transition of flow pattern when the water cut of liquid was between 40% and 50%.     

水平管内气液段塞流液塞发展特性实验研究

Slug initiation and subsequem evolution along a 5.0 cm ID, 16m long horizomal pipe are experimentally studied. The transient characteristics of interfacial structures are described by using simultaneous measuremeres of the liquid height at multiple locations along the pipe. Various effects of superficial gas and liquid velocities and pressure oscillation on the slug initiation and evolution along the pipe are illustrated. It is found that the slug is initiated by a deterministic orocess with reolenishmem and deoletion of liquid near the inlet for the superficial gas velocity USG〈3.0m·s^-1 and by a stochastic process with wave coalescence along the pipe for USG〉3.0m·s^-1.The evolution of the slugs is strongly attected by superhclal gas and liquid veloclties for USG〈3.0m·s^-1 but weakly affected by the superficial gas velocity for USG〉3.0 m·s . The suppression of pressure oscillation at the pipe inlet significantly delays the onset of slugging, with slugs forming postponed further downstream. The slug frequency at the outlet is, however, not affected by the variation in the pressure oscillation.     

垂直管气液两相环状流的界面扰动波速度

在气液两相环状流中,界面波是两相间质量、动量和能量转移的重要载体,对其特性参数（波速、波频和波幅）的研究具有重要意义。首先根据气液两相流界面波分类,对其特征进行了定性描述。针对现有的界面剪切力推导了界面扰动波速度预测模型,考虑了气核中夹带液滴引起的密度增量及气核与液膜表面相对速度的影响,得到了改进的垂直管环状流扰动波速预测模型。针对工业现场工况压力较高现状,设计了基于近红外吸收衰减技术和互相关原理的界面波波速测量传感器,在五种压力（0.2～0.9 MPa） 154个界面波波动速度条件下进行了实验。结果表明,改进后模型预测效果良好,相对误差在±10%左右,在不同系统压力条件下具有一定外推性。     

水平和倾斜管内气液分层流界面稳定性

A viscous Kelvin-Helmholtz criterion of the interfacial wave instability is proposed in this paper based on the linear stability analysis of a transient one-dimensional two-fluid model. In thismodel, the pressure is evaluated using the local momentum balance rather than the hydrostatic approximation. The criterion predicts well the stability limit of stratified flow in horizontal and nearly horizontal pipes. The experimental and theoretical investigation on the effect of pipe inclination on the interfacial instability are carded out. It is found that the critical liquid height at the onset of interfacial wave instability is insensitive to the pipe inclination. However, the pipe inclination significantly affects critical superficial liquid velocity and wave velocity especially lor low gas velocities.     

基于段塞流的通用气液两相流模型的建立与验证

气液两相混输流动中,由于段塞流与其他流型均有联系,从段塞流出发建立模型可以使不同流型下的计算模型得到统一。基于段塞流建立气液两相流动量方程和连续性方程,完善模型对气泡和液滴夹带的处理。建立模型的闭合关系式,对关键参数(壁面及气液相间水力摩阻系数、液塞平移速度、平均液塞长度)的计算闭合关系式进行优选,得到适用于模型的闭合关系式,同时,对液滴和气泡的夹带给出夹带条件及相关参数计算式,最终建立基于段塞流的通用气液两相流模型。使用3组不同来源的实验数据验证了模型计算压降和持液率的准确性,实验数据分别来自中国石油大学(华东)、大庆油田实验基地的气液两相流实验以及国外研究人员的实验研究,包含各个气液流型。模型具有较高的计算精度,优于未经关系式完善和优化的原始模型,大部分压降及持液率参数的计算误差在±15%以内。