（流体力学专业论文）水平管内气液两相流流型识别和聚合物减阻研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许 论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论 文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将本 论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。论文的公布 ( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密彳。 学位论文作者签名：驯搦、 又口i1 年石月i q - b 臌名：套f ：- 呻， 指导教师签名： 、v ， ， f ，年石月，p 日l 水平管内气液两相流流型识别 和聚合物减阻研究 f l o wp a t t e r ni d e n t i f i c a t i o na n de f f e c to fd r a g r e d u c i n g p o l y m e r o ng a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o w si nah o r i z o n t a lp i p e 姓 江苏大学 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 本文对水平管内气液两相流流型识别和聚合物减阻效应进行了分析和数值模拟 研究。气液两相流因相界面时刻都在变化，使流型划分很困难。在流型识别理论和 实验知识的基础上，对流型随不同折算速度的变化进行研究。建立水平圆管内空气 和水两相流动的模型，进行数值模拟分析。模拟的两种工况为：保持液体流量不变 逐渐增大气体流量和保持气体流量不变逐渐减小液体流量。在确定模拟出的流型图 和曼德汉流型图基本吻合后，进一步研究水平管气液两相流环形流时的聚合物减阻 效应。本文所得结果对加深气液两相流的认识，和两相流聚合物减阻机理的理解有 帮助，对环形气液两相流聚合物减阻的应用和工程实施有参考价值。 选定环形流时的空气和水的折算速度，根据由浓度计算出的高分子聚合物粘度 和通过数值模拟得到的有减阻剂及无减阻剂时的压力降，就可求得相应参数下的减 阻率。分析不同工况下的压力分布图和速度分布图，解释聚合物实现减阻的机理， 以及验证模拟结果的正确性。 通过对两相流中界面摩擦力和液滴夹带分析，可得结论：1 ) 当液体折算速度较 小时，减小界面摩擦力占据减阻的主导地位；2 ) 随着液体折算速度的增大，减小液 滴夹带占据减阻的主要地位；3 ) 随着气体折算速度的增大，减小界面摩擦力开始慢 慢占据减阻的主导地位。所以，在气液两相流减阻中，界面摩擦力和液滴夹带是同 时存在、相互作用的。 通过研究不同数值下减阻剂浓度、气相折算速度和液相折算速度对减阻率影响， 得到结论如下：1 ) 当气体折算速度和液体折算速度固定不变时，减阻率随着减阻剂 浓度的增大而增大；2 ) 当气体折算速度和减阻剂浓度固定不变时，减阻率和液体折 算速度成反比；3 ) 当液体折算速度和减阻剂浓度固定不变时，减阻率随着气体折算 速度的增大而减小。4 ) 本文中数值模拟得到环形气液两相流的最大减阻率是4 2 5 。 关键词：水平管，气液两相流，环形流，减阻，界面摩擦力，折算速度，浓度，粘 度 水平管内气液两相流流型识别和聚合物减阻研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f l o w p a t t e r ni d e n t i f i c a t i o na n d e f f e c to fd r a g r e d u c i n gp o l y m e ro ng a s l i q u i d t w o p h a s ef l o w si nah o r i z o n t a lp i p ea r ei n v e s t i g a t e db ya n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r i th a sb e e na l w a y sd i f f i c u l tt oi d e n t i f yt h ep a t t e r n so fg a s l i q u i dt w o - - p h a s e f l o w s ，b e c a u s ei t sp h a s ei n t e r f a c i a li sc h a n g i n go v e rt i m e t h ec h a n g eb e t w e e nt h ef l o w p a t t e r n s ，d u et od i f f e r e n ts u p e r f i c i a lv e l o c i t y , i si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s ，b a s e do nt h e t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lk n o w l e d g eu p o np a t t e r ni d e n t i f i c a t i o n a f t e rs e t t i n go nt h e m o d e lo fa i r - w a t e rt w o p h a s ef l o w si nah o r i z o n t a lp i p ea n di n t e r c a l a t i n gi t sg r i da n d b o u n d a r yc o n d i t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t t h e r ea r et w os i m u l a t i o n c o m p l e x i o n sp r e s e n t ，t h a ti s ，c o n s t a n tl i q u i df l u x 丽mg r a d u a l l yi n c r e a s i n gg a sf l u xa n d c o n s t a n tg a sf l u x 谢mg r a d u a l l yd e c r e a s i n gl i q u i df l u x a f t e ro b t a i n i n gt h ef l o wp a t t e r n w h i c hi sc o n s i s t e n t 谢mm a n d h a n ef l o wp a t t e r n ，t h ef u r t h e rr e s e a r c ho nt h ed r a gr e d u c t i o n b yt h ea d d i t i o no fp o l y m e rs o l u t i o nt ot h ea n n u l a rg a s - - l i q u i dt w o - - p h a s ef l o w i na h o r i z o n t a lp i p ei sc a r r i e do u t t h er e s u l t so b t a i n e df r o mt h i sp a p e ra r en o to n l yh e l p f u lt o f u r t h e ru n d e r s t a n dt h ek n o w l e d g eo fg a s - l i q u i d t w o - p h a s e f l o wa n dt h ee f f e c to f d r a g - r e d u c i n gp o l y m e ro nt w o - p h a s ef l o w , a l s oh a v ev a l u eo nt h ea p p l i c a t i o na n d c o n s t r u c t i o no fd r a g - - r e d u c i n gp o l y m e ro na n n u l a rg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w f o rag i v e na i r - w a t e rs u p e r f i c i a lv e l o d 哆w i t t la n n u l a rp a t t e m ，t h ec o r r e s p o n d i n g d r a g - r e d u c i n gr a t ec a l lb ew o r k e do u t 丽t l lt h ed e t e r m i n a t ep a r a m e t e r s ，a c c o r d i n gt ot h e v i s c o s i t yo fp o l y m e rs o l u t i o n sd u et oi t sc o n c e n t r a t i o n ，a n dt h ep r e s s u r ed r o po b t a i n e d f r o mt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw h e nt h ed r a g r e d u c i n ga g e n ti sp r e s e n ta n da b s e n t t h e d i s t r i b u t i o n so fp r e s s u r ea n dv e l o c i t ya r ea n a l y z e d ，e x p l a i n i n gt h a tt h ep o l y m e rc a n a c h i e v ed r a g r e d u c t i o na n dv a l i d a t i n gc o r r e c t n e s so ft h es i m u l a t i o nr e s u l t s s o m er e s u l t sa r ea c q u i r e db ya n a l y z i n gs k i nf r i c t i o na n dd r o pe n t r a i n m e n ti nt h e t w o - p h a s ef l o w , a sf o l l o w s ：1 ) w h e nt h el i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t yi ss m a l l e r , t h ed e c r e a s e o fs k i nf r i c t i o nd o m i n a t e si nr e d u c i n gd r a g ；2 ) w i t ht h ei n c r e a s eo fl i q u i ds u p e r f i c i a l v e l o c i t y , t h ed e c r e a s eo fd r o pe n t r a i n m e n td o m i n a t ei nt h ed r a gr e d u c t i o n ；3 ) w i t h i n c r e a s e i nt h eg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y , t h ed e c r e a s eo fd r o pe n t r a i n m e n ts t a r t st od o m i n a t ei nt h e d r a gr e d u c t i o ns l o w l y t h e r e f o r e ，s k i nf r i c t i o na n dd r o pe n t r a i n m e n ta r ec o n c u r r e n ta n d m u t u a l l yi n f l u e n c e di nt h eg a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp o l y m e r sc o n c e n t r a t i o n s ，d i f f e r e n tg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t i e s ， d i f f e r e n tl i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t i e so nd r a g - r e d u c i n gr a t ei si n v e s t i g a t e di n t h i st h e s i s r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：1 ) w h e ng a s l i q u i d s u p e r f i c i a lv e l o c i t y i s c o n s t a n t ，t h e m 水平管内气液两相流流型识别和聚合物减阻研究 d r a g - r e d u c i n gr a t ei sa l o n gw i t ht h ec o n c e n t r a t i o n so fd r a g r e d u c i n ga g e n t ；2 ) w h e ng a s s u p e r f i c i a lv e l o c i t ya n dc o n c e n t r a t i o no fd r a g r e d u c t i o na g e n ta r ec o n s t a n t ，t h er e l a t i o n b e t w e e nt h ed r a g - r e d u c i n gr a t ea n dt h el i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t yi sr e c i p r o c a lr a t i o ；3 ) w h e nl i q u i ds u p e r f i c i a lv e l o c i t ya n dc o n c e n u a t i o no fd r a g r e d u c i n ga g e n ta r ec o n s t a n t ， t h ed r a g - r e d u c i n gr a t ed e c r e a s e s 丽t l lt h ei n c r e a s i n gg a ss u p e r f i c i a lv e l o c i t y ；4 ) t h em a x d r a g r e d u c t i o nr a t eu pt 04 2 5 i so b t a i n e di nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n k e y w o r d s ：h o r i z o n t a lp i p e ，g a s l i q u i dt w o p h a s ef l o w , a n n u l a rp a t t e m ，d r a g - r e d u c t i o n ， i n t e r f a c i a lf r i c t i o n ，s u p e r f i c i a lv e l o c i t y , c o n c e n t r a t i o n ，v i s c o s i t y i v 江苏大学硕士学位论文 二一一 主要符号参数表 a 管道流通面积 r 溶液的浓度 d 流道的当量直径 d d 】【压力梯度 d 管道直径 d l 广水力直径 d r 减阻率 b 一单位面积的液滴夹带速率 卜摩擦力系数 f i _ 方向上外部体积力 e 气液两相混合物的质量流量 g i 掖相的质量流量 g r 气相的质鼍流量 g r 。浮力产生的湍流动能 卜湍流特征参数 i r 一两相流混合物时测得辐射强度 j j 组分j 的扩散流量 k 广有效热传导系数 i - 圆管总长 i f 穗拟段长 m r 0 鼹幂律指数 m 表示减阻剂的平均分子量 卜静压 q 两相混合物的体积流鼍 q 厂一液相的体积流量 q l r _ 气相的体积流量 粕气体常数 r e 一流动雷诺数 r 滑移比 s 广化学反应热以及定义的体积热源项 s _ 一应力张量系数 s f 一时均应变率 卜时间 t - 一绝对温 u 广一管肇上液膜流动的速度 崦气相的平均速度 u 广液相的平均速度 l l 。r _ 气相折算速度 l l | i 液相折算速 v s 滑移速度 x 一质量含气率 y + 湍流长度尺度，y + = 导 u ， p 叫积含气率 广截面含气率 陌_ 气相的介质密度 p i 液相的介质密度 p r 一混合流动粘度 p i 方向上的重力体积力 i i 气液混合物的动力粘度 崞气相的粘度 i 液相的粘度 i r 零剪切粘度 a - _ 特征时间 r - 剪切速率 广运动粘度 t 一切应力 - 应力张量 勺一壁面切应力 珞一界面摩擦力 v 水平管内气液两相流流型识别和聚合物减阻研究 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 1 1 两相流流型的研究1 1 1 2 聚合物减阻的研究2 1 2 流型识别和高聚物减阻的研究现状3 1 2 1 气液两相流型识别的研究3 1 2 2 高聚物减阻的研究4 1 3 本文研究的主要内容6 第二章两相流基本理论7 2 1 两相流的定义和分类7 2 1 1 两相流的定义7 2 1 2 两相流的分类。7 2 1 3 两相流的特点8 2 2 两相流的主要参数9 2 2 1 流型9 2 2 2 质量流量、体积流量9 2 2 3 平均速度、折算速度、混合速度9 2 2 4 滑差、滑动比1 0 2 2 5 含气率、含液率1 0 2 2 6 两相混合物的密度。1 2 2 2 7 气液混合物的粘度。1 2 2 3 两相流参数的分类1 3 2 4 气液两相流流型。1 3 2 4 1 流型定义。1 3 2 4 2 水平不加热管中流型的分类1 4 2 4 3 水平加热管中流型的分类。1 5 2 5本章小结。1 6 第三章气液两相流型的识别。1 7 3 1 两相流流型识别的实验方法1 7 3 1 1 高速摄影法。1 7 3 1 2 射线衰减法1 8 3 1 3 电导探头法1 9 3 1 4 压差波动法1 9 3 2 曼德汉( m a n d h a n e ) 流型图2 0 v 水平管内气液两相流流型识别和聚合物减阻研究 3 3 数值模拟控制方程2 1 3 3 1 质量守恒方程2 1 3 3 2 动量守恒方程2 1 3 3 3 能量守恒方程2 2 3 3 4 湍流模型2 2 3 4 数值模拟。2 3 3 4 1 几何模型建立。2 3 3 4 2 网格划分2 4 3 4 3 边界条件2 5 3 4 4 求解法和参数的确定2 6 3 5 模拟结果和分析2 6 3 5 1 空气流量变化对流型的影响2 6 3 5 2 水流量变化对流型的影响3 0 3 5 3 流型模拟识别的偏差分析3 3 3 5 4 模拟结论3 4 3 5 本章小结3 4 第四章高分子聚合物减阻3 5 4 1 减阻现象的提出和应用3 5 4 1 1 单相流减阻的认识。3 6 4 1 2 减阻的应用3 7 4 2 减阻机理探讨。3 8 4 2 1 减阻率的定义3 8 4 2 2 减阻的分类【4 3 1 。3 8 4 2 3 高分子减阻的特点3 9 4 3 高分子湍流减阻假说3 9 4 3 1 伪塑说4 0 4 3 2 湍流脉动抑制说。4 0 4 3 3 有效滑移说4 0 4 3 4 粘弹说4 l 4 3 5应力各向异性说4 l 4 3 6 涡旋稳定假说4 2 4 3 7 湍流脉动解耦假说4 2 4 3 8 表面随机更新假说4 2 4 4 减阻剂4 2 4 5 本章小结4 4 第五章高分子减阻的数值模拟及分析。4 5 江苏大学硕士学位论文 5 1 模型的建立4 5 5 1 1 几何建模4 5 5 1 2 网格划分4 6 5 1 3 边界条件设置4 6 5 2 高聚物粘度的计算4 7 5 2 1 减阻剂的选择。4 7 5 2 2 粘度的计算式和实例。4 7 5 3 数值模拟结果及分析4 9 5 3 1 速度分布4 9 5 3 2 压强分布5 1 5 4 减阻机理分析5 3 5 4 1两相界面摩擦力的影响5 3 5 4 2 液滴央带的影响5 5 5 4 3 摩擦系数受聚合物的影响变化5 6 5 5高分子聚合物减阻率的研究6 0 5 5 1聚合物溶液浓度对减阻率的影响。6 1 5 5 2 液相折算速度对减阻率的影响。6 3 5 5 3 气相折算速度对减阻率的影响6 6 5 6 本章小结6 8 第六章结论与展望。臼 6 1 本文工作总结6 9 6 2 研究工作展望7 0 参考文献 致谢 攻读硕士学位期间发表的学术论文 文中彩色附图 7 1 7 4 7 5 7 6 i x 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 多相流系统广泛存在于现代工业生产和日常生活的各个领域，例如化工、能源、 环保和轻工等行业，涉及到多相流工程设备有：生活供暖设备、燃气和石油输送设 备、空调热交换设备中的蒸发器和凝结器、工艺分离设备、流化床反应器、气象观 测设备和多相流泵等【1 1 。随着科学技术的迅速发展，多相流在工业生产、科学研究、 环境保护以及人类生活中同益重要。因此，多相流研究成为国内外极其关注的学科。 在多相流体系中，两相流是最为常见，而两相流中又以气液两相流的应用最为 广泛。气液两相流动过程中，各相介质的形状、密度、温度、压力和相间的作用力 都会随着时间发生变化，加之气液两相的流动性和可压缩性，使得两相流动更加复 杂，增加了研究难度。但由于生产生活和科研的需要，越来越多的学者开始研究气 液两相流，来为系统的安全经济运行提供保证。 1 1课题研究的背景和意义 1 1 1两相流流型的研究 在气液两相随时间流动过程中，两相之间存在一时刻都在变化的界面，导致两 相界面有很多的形状。人们通过之前的研究已经发现，气液两相介质共存时可以有 不同情况：气体有以细微气泡形式均匀充满液体中，有以巨大气泡形式存在于液体 中，还有液体以细小液滴分散在气体中等等。受到的作用力不同或者不均匀，两相 分布也不相同，如受表面张力作用有助于产生弯曲的界面，导致成球形；但是在连 续相中夹带的不连续相愈大，则与球形相差愈远。这些都属于气液两相在流动过程 中共存的不同形式。 两相流动形式就是气液两相介质的分布状况，即流型。而流型极大影响着气液 两相流的流动特性和传热传质特性【2 】，同时也影响着流动参数的准确测量及两相流系 统的运行特性。在不同的流型下，气液两相流所表现出来的特性是不同的。同时， 流型受很多因素的影响，例如压力、速度、含气率、温度、运动方向、流道几何形 状等；不同的流动参数下，会表现出不同的流型。所以，为了研究两相流运动的规 律，必须要清楚气液两相流动中流型和参数的变化。 在以前涉及到气液两相流动工况的生产生活设备中，由于缺乏相关的知识，曾 经发生过不少工业事故，造成了很大的经济损失。例如工程应用上，通过研究流型 水平管内气液两相流流型识别和聚合物减阻研究 能够确定两相流动的换热特性和压降特性1 2 】。因为两相流的换热特性和压降特性与其 流动形式密切相关，流型变换对换热机理有明显的影响：当液体湿润加热表面，并 且壁面温度稍超过液体的饱和温度时，壁面下就会产生泡核沸腾，泡核沸腾的放热 系数高。当从泡核沸腾过渡到膜念沸腾时，放热系数急剧下降，这个过程中流型发 生了变换，从而使换热机理发生了变化。流型的转变会引起流动的不稳定性，流动 形式取决于气泡份额和相分布，流动形式的不同，对压降起主要作用的因素是不同 的，因而计算压力降的公式也有差别。所以，两相流压降及两相流不稳定性更是和 流动型式密不可分。 因此，气液两相流流型识别的研列3 1 ，有助于揭示两相流的流动机理，解释两相 流系统中的复杂特性。气液两相的流型相当于单相流体力学中确定层流和湍流一样。 不仅具有重要的学术意义和实用价值，也为相关工业生产设备设计及安全、经济运 行提供了有力的技术支持。 1 1 2 聚合物减阻的研究 自上世纪七十年代中东石油危机爆发以来，提高能源的使用效率已成为制约经 济持续发展的重要问题。现在地球资源开发量己超限，但还是满足不了社会的需求， 以能源为中心的环境和社会经济问题日益加剧。世界各国充分认识并尽力提高能源 利用效率的同时，也都在积极探索实现节能和开发新能演的新途径。 多相流体系中，实际流体都有流动阻力，而只有正确计算并确定其流动阻力后， 才能选用合适的动力设备( 风机或者泵) 使流体能在设计规定条件下，具有足够的 压力去克服各种阻力。管内多相流动的阻力和单相流动的阻力一样，主要分为沿程 阻力和局部阻力两类。对于管内双组分气液混合物摩擦阻力的计算，是假定流动为 分相流型的基础上，应用理论和试验相结合方法得出的一套气液混合物阻力计算方 法。而阻力研究是为了保证工程设备在使用过程中能够安全经济的运行。现在能源 危机日趋严重的情况下，如何减小设备系统中的各种阻力，使设备能够更加经济的 运行又成为一个研究的重点。 例如，石油、天然气及其产品在现今社会中多以管道方式进行输送，而各地区 对油气产品需求有一定的弹性。石油产品需求的急剧增长，管径过小而不能满足需 求，但输送管道不可能随时调整管道的口径，或者改变管输设备及改输其它货物。 另外，许多情况会使得管线的实际工况与输量不匹配，例如管线老化、耐压性能降 低、管线维修、管线发生事故等。为了保证油气产品的输运量，都需要管线具有一 2 江苏大学硕士学位论文 定的调节能力。 解决上述问题的一个方法是使用添加剂。自1 9 4 8 年t o m s 4 l 发现高分子聚合物减 阻效用这一现象至今已半个世纪，此技术已广泛应用于生产和生活实践中。例如在 地区冷暖气、石油勘探和开采输运、减少消防系统阻力增大喷射高度中，只要在流 体中添加几p p m ( p a r tp e rm i l l i o n 百万分之一) 到几十p p m 的高分子聚合物，就能使 阻力大大降低，甚至达7 0 以上。第一种商业用途是1 9 7 9 年横穿阿拉斯加直径为 1 2 m 的输油管道，能够达到4 8 的减阻，这样就排除了为达到同样功能而需要建立 的两个泵站，大大的节约了能耗。 利用添加剂减阻有以下优点： ( 1 ) 降低管道的操作压力，提高管线运行的安全系数，可实现油品的水力越站， 节减中间泵站，节省管道操作成本：可在原有的管道操作条件下，增加油品输量， 既提高管道操作效率，增加经济利益。 ( 2 ) 新建管道如果在设计过程中考虑使用减阻剂，将能缩小管道直径，减小泵 的规模，从而大大节约建设投资。 1 2 流型识别和高聚物减阻的研究现状 1 2 1 气液两相流型识别的研究 目前，国内外有很多人从事气液两相流流型识别方法的研究工作。两相流流型 识别主要有两类方法：一类是采用实验方法做出流型图。在实践过程中，通常只能 根据实验得出各种流型状态图，建立流型变化的经验或者半经验判别式。但是这种 方法存在一定的缺陷，如精度不高，局限性较大，不同的流型图之间存在一些差别， 至今还没有一个得到一致公认的标准。另一类是根据流型转变机理得到的转变关系 式，利用现场的流动参数来确定具体的流型。 k o k a l 等【5 】对油气两相流在倾斜管内的流型进行的研究，将实验得到的数据与 t a i t e l 和d u i k e r 所绘制的流型图进行比较，并利用实验数据对原来的半经验理论流型 转换准则进行验证，提出了改进的准则。e w i n g 等1 6 1 利用摄像技术记录水平管中气液 两相流流型变换的情况并与b r e b e r 提出的流型图进行对比，对原有流型图数据加以 扩充，扩大了原有流型图的适用范围。l uz h o n g q i 等1 7 1 以简化的两相流体模型为基础 采用一系列经验或者理论关系式封闭方程，计算得到界面浓度与含气率、干度的关 系，并以此识别流型。k a l k a c h n a v a r r o 掣8 】发展了描述气泡串成和破碎的广义两相 3 水平管内气液两相流流型识别和聚合物减阻研究 流体模型，对含气率和压力波进行稳定性计算和分析，从而对两相流流型进行判别。 周云龙等【9 l 对螺旋管和倾斜下降管内气液两相流截面含气率变换规律的研究，得 出计算螺旋管内主要流型平均截面含气率的经验关系式及计算倾斜下降管气液分层 流截面含气率的理论模型，为螺旋管和倾斜下降管内的气液两相流流型识别提供了 理论基础。杨靖掣1 0 l 对气液两相流压差波动信号的分形插值非线性数据拟合与重构 方法进行探索研究，利用分形插值方法对两相流机理作出新的分析，并据此给出了 一种改进的两相流压力降数据经验关联式。 随着科技的发展，借助激光技术、光谱技术、层析成像技术等，可以实现流型 的客观识别。h u b b a n d 和d u k l e r 1 1 】根据壁面静压力波动的功率谱密度曲线特点将水 平管内气液两相流划分为分离流、弥散流、间歇流三种。j o n e s 和z u b e r 1 2 1 采用x 射 线衰减技术，通过分析垂直于管内空气水两相的空泡份额p d f 曲线峰态特征判断流 型。t u t u 1 3 j 根据压差波动概率密度分布的峰值的个数和位置，识别出了泡状流、弹 状流、乳状流和环状流。w a m b s g a n s s 等【1 4 】通过实验对水平放置的矩形管道内气水两 相流动进行试验，提出来了利用壁面静压力波动均方根( r m s ) 客观识别泡状流或 者塞状流向弹状流的转变，以及弹状流向环状流转变的方法。 1 2 2 高聚物减阻的研究 窦国仁【1 5 】在1 9 8 1 年对含有高分子聚合物的紊流减阻进行了研究，他从粘弹性流 体的m a x w e l l 方程式出发，导出粘弹性流体在紊流条件下的内部剪力公式，并且提出 紊流随机理论，得出了光滑明渠和管道中减阻紊流的时均流速分布公式，以及纵向 脉动流速分布公式。侯晖昌1 1 6 】在1 9 8 7 年对高分子减阻和泥沙减阻进行了阐述。后来 管民【1 7 】等以普朗特动量传递理论为基础，对0 号柴油中加入减阻剂进行研究，探讨了 高分子减阻剂对非牛顿流体流动特性的影响。 翟建军1 1 8 12 0 0 2 年为了验证减阻型内涂层对天然气管道的减阻增输效果，对专用 减阻型涂层管、普通环氧类涂层管及无涂层普通工业管的空气动力性能进行研究 ( r e = 4 3 2 x 1 07 ) ，采用专用减阻涂层管与无涂层普通工业管相比，其摩阻系数值减少 2 6 7 ：与普通环氧涂层管相比，其摩阻系数减少3 9 。官峰1 1 9 1 2 0 0 2 年通过对不同 工况下氯化十六烷基三甲基季铵盐减阻流体在二维流道中减阻性能的测量，分析了 温度、浓度、配比变化对流体减阻性能的影响。 刘磊和孙贺东等1 2 0 l2 0 0 3 年在6 5 m m 的水平管道中，以水一空气混合流体模拟天 然气管道中的分层流和环状流，对管道效率与减阻率的关系进行分析，理论计算与 4 江苏大学硕士学位论文 试验结果都表明，多相流中减阻率随表观气速的增大而降低；对单相液体有6 2 减 阻率的聚合物，对环状流的减阻率可达到4 0 左右，对分层流的减阻率可达到2 5 左右，使多相流管道效率明显提高。 王德忠等人【2 1 1 2 0 0 4 年采用测压差装置和热电偶测温系统分别对二维流道内不同 减阻流体的减阻和传热性能试验。结果表明，当减阻流体的减阻性能保持不变时， 其流动未达到临界雷诺数前，传热性能的下降率随着雷诺数的增大而增大；达到临 界雷诺数后，传热性能急剧增强；最后，随雷诺数的增大，传热性能的下降率与减 阻率趋于致。 s y l v e s t e r l 2 2 1 h , 嗣lb r i l l ( 1 9 7 6 ) 对水平管内空气和水两相处于环形流型时的减阻进 行研究，高聚物减阻剂是浓度为l o o p p m 的聚氧化乙烯( p e o ) ，管道直径为1 2 7 c m ， 长度为6 1 m 。发现高聚物减阻剂不能循环利用；气体折算速度最大时最大减阻率为 3 5 ，此结论后来被推翻。s p e d d i n g 和h a n d ( 1 9 9 7 ) 对多相流减阻的综述 2 3 1 ，认为水 平管内空气和水两相流动中加入表面活性剂，减阻将发生在气弹状流型时；当空气 和水两相处于环形流型时，加入表面活性剂能引起液膜波幅的衰减，延缓气弹状流 型向层状流型的转变。 k a n g 等人【刎( 1 9 9 9 ) 对水平和稍微倾斜管道油气两相流动处于气弹流型和环形 流型时减阻的研究，气体折算速度控制在l o - 1 2 m s 。发现当减阻剂浓度为1 0 5 0 p p m 时，能得到3 0 5 0 的减阻率，并且减阻率随着液体折算速度的增大而减小，当液体 折算速度为0 5 m s 时减阻率为5 0 ，但当液体折算速度增大到1 0 m s 时减阻率却减 少为3 0 ，此结论后来被推翻。 a i s a r k h i 和h a n r a t t y ( 2 0 0 1 ) 对水平管内空气和水两相处于环形流型时的减阻研究 【2 5 ，2 配7 】，减阻剂是聚丙烯酰胺和丙烯酸钠脂的共聚物，管道直径分别为9 5 3 c m 和 2 5 4 c m ，长度并未提及，实验压强稍大于大气压，气体折算速度控制在2 8 5 2 m s ， 液体折算速度控制在0 0 3 0 2 0 m s 。发现减阻率随着高聚物浓度的增加而增大，直到 浓度为1 5 p p m 时再增大高聚物浓度减阻率再也不发生变化，减阻率的范围为1 0 6 3 ， 减阻率与管道直径成反比，当管道直径为2 5 4 c m 时最大减阻率为6 3 ，管道直径为 9 5 3 c m 时最大减阻率为4 8 。减阻率与液体折算速度成正比与气体折算速度成反比。 f e m a n d e s 等人【捌( 2 0 0 4 ) 对水平管内天然气和冷凝物两相处于环形流型时的减阻 研究，管道直径为1 9 c m ，管道长度为1 2 0 m ，减阻剂为聚0 【石蜡。发现减阻是由于 夹带减小和界面摩擦力减小导致的液体液膜粗糙度的减小引起的；还为减阻提出了 5 水平管内气液两相流流型- y , 另1 和聚合物减阻研究 气液环形流型时的压力梯度模型和减阻模型。t a l a la 1 w a h a i b i 等人 2 9 1 ( 2 0 0 6 ) 对水平 管内油水两相流动减阻研究，管道直径为1 4 c m ，长度未提及，减阻剂是聚丙烯酰胺 和丙烯酸钠脂的共聚物。发现减阻剂对流型转变有重大影响，减阻剂扩大了分层流 型流动的区域，实现了环形流型向分层流型的转变，使界面波衰减。当流动处于环 形流型时最大减阻率为5 0 ，界面高度和液体停顿随减阻剂的加入而增大。 1 3 本文研究的主要内容 由上述可知，在气液两相流体系中，流动参数会直接影响到体系内气液两相各 自的分布状况，从而形成不同的流型。在不同的流型下，体系内气液两相之间主导 作用力不同，使得压力分布也不一样。很多学者把两相的流理论知识和实验结果相 结合，得到了一些实用的流型图。 本文运用计算流体力学( c f d ) 3 0 】的方法对水平管内空气和水两相流流型进行 数值模拟，模拟保持液体流量不变，逐渐增大气体流量、保持气体流量不变，逐渐 减小液体流量两种情况下，折算速度对水平管气液两相流流型转变的影响。选定用 于模拟气液两相在管道中流动的模型- v o f 模型，采用非稳态、隐式分离求解算法 进行数值计算，对水平管道内的空气一水两相流动的流型进行模拟。通过模拟得到空 气和水在不同折算速度下的流型图，之后将数值模拟出的流型与学者总结的曼德汉 流型图进行对比分析，研究流型转变的规律。 为了节约能源降低损耗，提高输运能力，降低管道阻力，学者对使用高分子聚 合物减阻做了相关研究，并且得到：在单相流体系中，使用聚合物时会存在着1 0 - 一 6 0 的减阻率。而从实验角度对气液两相流环形流型时减阻的研究，提出了压力梯度 模型和减阻模型，使高分子减阻理论得到了充实。 在研究气液两相流环形流动时的高分子聚合物减阻机理，本文用计算流体力学 ( c f d ) 的方法对水平管内的流动进行数值模拟，得出管内空气和水两相流动的压 力降，以及空气和高分子聚合物溶液的两相流动的压力降，以计算减阻率。通过对 壁面摩擦力和液滴夹带的分析，从理论上验证了减阻剂所起到的减阻效果。将数值 模拟的结果与实验结