（油气储运工程专业论文）气液两相流通过管壁小孔的分配特性研究及其应用.pdf

s u b j e c t ：as t u d y o nd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fg a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o wt h r o u g h s m a l lh o l e sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n s s p e c i a l i t y ： n a m e ： i n s t r u c t o r ： a b s l 。r a c 。l 。 g a s 1 i q u i dt w op h a s ed i s t r i b u t i o na r ew i d e l yu s e di nt h ep e t r o l e u m ，c h e m i c a la n d p o w e r i n d u s t r i e s h o w e v e r ，p h a s es e p a r a t i o nw i l lo c c u rw h e nm u l t i p h a s ef l o wt h r o u g ha d i s t r i b u t o r , w h i c hl e a dt ot h eg a s 1 i q u i dr a t i oo ft h ed o w n s t r e a mi sd i f f e r e n tf r o mt h a to ft h eu p s t r e a m t h e m a l d i s t r i b u t i o nc a nc a u s es a f ep r o b l e m si no p e r a t i o no ft h ei n d u s t r i a le q u i p m e n t s i nt h i sp a p e r e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n ta n dt h e o r ya n a l y s i sw e r ec a r r i e do u tt os t u d yt h eg a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o wt h r o u g hs m a l lh o l e sa t t h ep i p ew a l l a n dt h ea p p l i c a t i o no fm u l t i p h a s ef l o w d i s t r i b u t i o nd u r i n gm u l t i p h a s ef l o wm e t e r i n ga n ds p l i t t i n g h a v ea l s ob e e np r e s e n t e d f i r s t l yas p e c i a le x p e r i m e n t a ld e v i c ew a sd e s i g n e da n de x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ta t a l la i r - w a t e rt w o p h a s ef l o wl o o p a2 5 r a mh o l ew a su s e dt os i m u l a t et h eh o l e r e s u l t sh a v e s h o w nt h ed e g r e eo fp h a s es e p a r a t i o ni ss t r o n g l yd e p e n d e n to nh o l e sl o c a t i o na n df l o w p a t t e r n s i ns l u gf l o w , t h ep r o p o r t i o no fl i q u i df l o wi n t ot h es m a l lb r e a ki sm u c h m o r et h a n o t h e rf l o wp a t t e r n sf o ri t ss p e c i a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v es h o w n m u l t i h o l e ss a m p l i n gt e c h n o l o g yc a n n o to v e r c o m et h e p h a s es e p a r a t i o n t h e nas p i ng e n e r a t i n ge l e m e n tw a sa p p l i e d t om o d i f yt h ei n l e tf l o wp a t t e r n t h es t r a t i f i e df l o w , s l u gf l o wa n da s y m m e t r ya n n u l a rf l o wo fu p s t r e a mb e c o m es y m m e t r y 锄u l a rf l o ww i t hu n i f o r mf i l mt h i c k n e s sa f t e rt h ee l e m e n t t h er e p r e s e n t a t i v eo ft h es t r e a m s a m p l e di si m p r o v e dg r e a t l y t h el i q u i de x t r a c t i o nr a t i oi so n l yd e t e r m i n e db yt h ed i a m e t e r a n dn u m b e ro ft h es a m p l i n gh o l e s u s i n gt h es a m p l e rm e n t i o n e da b o v e ，t h eg a sa n dl i q u i df l o wr a t eo ft h em a i np i p ew e r e m e a s u r e da c c o r d i n gt of l u i de x t r a c t e d i na d d i t i o n ，aq u a l i t ym a i n t e n a n c et e c h n o l o g yw e r e p r o p o s e du s i n gm u l t i p h a s ef l o wd i s t r i b u t i o nt h e o r yt h eq u a l i t yo f o u t l e ti st h ef u n c t i o no f a r e ar a t i oo fg a sd i s t r i b u t i o nh o l ea n dt h el i q u i dd i s t r i b u t i o nh o l e k e y w o r d s ：t w o p h a s ef l o w , s m a l lh o l e s ，d i s t r i b u t i o n , p h a s es e p a r a t i o n , mu l t i p h a s ef l o w m e t e r i n g t h e s i s ：f u n d a m e n t a ls t u d y i i i 主要符号表 主要符号表 质量流量，k g s 分流比 液相分流系数 气相分流系数 分时比 压力，p a 压差，p a 密度，k g m 3 气液相密度差，k g m 3 温度， 小孔方位角，r a d 管线与水平方向夹角，r a d 分配角，r a d d , ：y l 截面含气率 d q ：l 直径，m 主管直径，m 参考管径，m 气相 液相 表观液相 表观气相 v 1 小孔与气液界面间距，m 临界夹带高度，m 环状流底部液膜厚度，m 环状流当地液膜厚度，m 分配角砂对应的平均液膜厚度，m 环状流管周平均液膜厚度，m 弗鲁德数 环状流分配影响区修正系数 阻力系数 流速，t o y s 雷诺数 环状流液相夹带份额 重力加速度，m s 2 半径，m ；气体常数，j ( k g k ) 剪切应力，n m 2 角速度，r s 质量含气率 主管 直通支管 侧支管 液膜 厅 艿 l 一6 c 巴 考 u 耻 e g r f x 。 2 3 m k 吒 砭 p p 妒 p 印 ， 9 卢 妒 d d 确 g 三 趾 跖 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： z 盈亟 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录 到中国学位论文全文数据库并通过网络向社会公众提供信息服务。本人离校后发表 或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大 学。 论文作者签名： 导师签名： 掣凄 日期：婚， 日期：沙，f 注：如本论文涉密，请在使用授权的说明中指出( 含解密年限等) 。 第一章绪论 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 多相计量广泛应用于石油、化工、能源、动力等许多重要工业领域，也是未能很好 解决的一个难题。在多相流量计量方面，新发展了一种多相流量计量方法即分流分相法 【lj 。分流分相流量计量原理是从被测多相流体中成比例地分流出- - , j , 部分流体，用小型 气液分离器将这部分多相流体分离成单相流体，分别用单相流量仪表测量各相流量，然 后根据取样流体和主管被测流体之间的比例关系推算被测两相流体流量。与其它测量方 法相比，分流分相法具有体积小、精度高的优点。取样分配器是分流取样式流量计最关 键部件，为防止干扰内部流场和避免取样口被流体中夹杂的沙粒、铁屑等磨蚀或堵塞， 取样孔需要布置在管壁上。为保证流量计量的精确性，必须首先保证所取流体样品的代 表性，即从管壁取样孔分流出的多相流体与主管路必须具有相同的组成。 然而，多相流体通过管壁取样孔时通常会发生相分离，即取样管路的气液相比例与 主管路出现差异。这是因为与单相流体不同，多相流体通过分支管路不但存在着质量分 配还存在着相分配。相分离的发生会导致取样缺乏代表性，使基于取样原理的多相流量 计测量误差增大。 相分离其实是多相流分配中的常见现象，相分离的发生对实际工业生产也有很大影 响。例如在注蒸汽开采稠油过程中，注气管网内通常是汽液两相流动，三通处相分离 的发生会显著降低某些油井的开采效果；在锅炉或核反应堆的换热器中，相分离发生会 导致某些换热管干度过大而发生烧损事故；在空调领域，制冷剂分配不均常会导致设备 整体性能下降。因此，探索多相流相分离规律对保证设备的安全和高效运行具有重要意 义。 1 2 多相流体相分配研究进展 多相流体通过管壁破口发生泄漏时一部分通过破口进入外界环境，另一部分继续流 入下游，因此，多相流体的破口泄漏过程本质上是多相流体的分配过程。目前关于多相 流体分配的研究对象主要为三通管，而管壁小孔可以看作是长度极短的特殊三通( 其长 度等于管壁厚度) ，因此可以借鉴两相流体通过三通的相分离研究成果。下面将对多相 流分配实验及预测方面的研究进展进行简要回顾。 1 2 1 多相流体通过分配装置的实验研究进展 对单相流体，通过三通分配器下游支管的流量与三通入口和下游支管间的压力差有 关，能用现有的知识比较精确的预测。于是一些学者尝试采用单相流方法解决两相流分 西安石油人学硕士学位论文 配问题，但预测结果误差很大。这是因为两相流体通过分配管件时除了质量分配外还存 在相分配【2 】。为此，许多学者利用空气一水或蒸汽水作为介质，在多相流实验台上进行 了大量实验，探讨两相流通过不同管径、不同侧支管方位的三通分配器的分配规律。对 于主管竖直的三通分配器，管内流型多为液膜厚度沿周向均匀分布的环状流，侧支管方 位不会对分配有较大的影响，而对水平管气液两相流，由于重力的影响，气液两相流在 管截面上分布不对称，不同方位的侧支管的分配特性有很大差别。 表1 1 为近年来实验研究的水平三通分配器结构。从中可以看到研究多限于主管管 径在0 0 2 6 0 0 7 6 m 之间的中等尺寸的三通。较大管径和较小管径的三通研究的相对较 少，其中r o b e r t s 3 l 研究了主管直径为0 1 2 7 m 的大管径三通的分配特性，m u d d e 4 1 的实 验三通主管管径为0 2 3 m 。s t a c e y 5 1 ，h o n g 6 】等研究了两相流通过微小三通的分配，他 们实验三通管管径分别为0 0 0 9 5 m 和0 0 0 5 m 。 表1 - 1 水平管三通分配器研究 研究者 d l ( m )d 3 d i p p e n g 。7 】 0 0 2 6 0 5 ，0 8 2 ，1 00 0 。- 4 5 0 ，一9 0 。 p e n g 8 1 0 0 7 60 3 3 。1 0 o o 一9 0 0 a z z o p a r d i 9 】 0 0 3 20 4 o o ，3 0 。，6 0 。士 9 0 0 l i nz h 【1 0 】0 0 3 40 2 6 5 ，0 4 1 ，0 5 9 ，0 7 5 a z z o p a r di 1 1 1 0 0 3 80 3 3 ，0 6 7 ，0 1 0+ 9 0 0 。0 0 v a n 【1 2 】0 0 3 8 1o 2 l 0 0 h w a n g 1 3 】 0 0 3 81 0o o r u b e l 【1 4 】0 0 3 7 61 o 0 0 b u e 儿 0 0 3 80 2 0 60 0 w a l t e r s 1 们0 0 3 8 1 0 5 ，0 0 2 1 o o 王栋1 7 1 0 0 3 40 2 6 ，0 4 1 ，0 5 9 ，0 7 50 0 p e n m a t c h a 【1 8 】o 50 5 。1 0 3 5 。，2 0 0 ，1 0 0 ，5 0 ，1 0 ， 0 0 ，一5 0 ， 一1 0 0 ， 一2 5 。，一4 0 。，一6 0 0 r o b e r t s ，r e a 驯，0 1 2 7 0 6 ，1 0 0 0 。+ 9 0 0 w r e n 2 i 】 m u d d e 篮10 2 30 4 3 + 9 0 0 s t a c e y 2 3 1 0 0 0 51 00 0 h o n g 【2 】 0 0 0 9 51 00o 9 0 0 注：表中d - 为主管直径，d ：为侧支管直径，p 为侧支管与水平面夹角 2 第一一章绪论 以上研究中，侧支管与主管直径比均大于0 2 。气液两相流通过微小侧支管的研究 更少，主要见表1 - 2 。两相流通过微小侧支管的分配研究是随着核反应堆水平段小破口 失水事故的研究而发展起来的。从表卜2 可以看到这些研究中，侧支管相对较长，一般 都大于0 0 3 m ，不是真正意义上的破口：流型均为分层流，没有研究其他流型通过侧支 管的分配情况；而且实验过程中一般控制气液界面高度为一恒定数值，基本没有考虑在 实际气液两相管流中气相和液相流量波动引起气液界面高度变化对分配的影响；测试段 一般比较短( 小于1 0 m ) ，流动未充分发展；只研究了o o ，9 0 0 共3 个方位侧支管的 分配，其他方位的侧支管的两相分配研究尚未见报道。 表i - 2 微小侧支管分配研究 研究者d l ( m )d 。( m )l b ( m ) p l ( m ) r ei m a n n 2 5 10 2 0 6 0 0 0 6 ，0 0 1 2 ，0 0 2 0 0 7 59 06 o s m o g il e 拍1 0 2 0 7 0 0 0 6 ，0 0 0 8， 0 0 3 0 0 。9 0 0 6 o 0 0 0 1 2 ，0 0 2 a r m s t r o n g 2 7 1 0 0 0 6 3 50 1 2 7o o 徐进良 0 0 50 19 0 03 0 s c h r o c k 2 9 10 1 0 2 0 0 0 4 ，0 0 0 6 ，0 0 1 o o 9 0 0 a n d e r s o n 10 2 8 40 0 3 40 0 + 9 0 0 y o n o m o t o f 3 l l0 3 o 1 9 0 0 1 ，0 0 2 0 0 + 9 0 07 7 5 y o u n g 【弛】 0 2 9 5 0 0 5 ，0 0 7 9 0 00 9 3 5 注：表中d 为主管直径，d a 为侧支管直径，b 为侧支管与水平面夹角，l b 为侧支管长度，l 为实验 管道总长度。 1 2 2 相分配预测模型研究进展 求解两相流通过分配器的分配 问题，需要知道分配器下游各个支管 的压力分布情况，侧支管的压力越 低，进入该侧支管的气液相流量越 多，但随着流量的增多，相应的阻力 亦会增加。就一个三通分配器而言， 定义分配问题需要8 个参数，即主管 质量流量m 1 和质量含气率x 1 ，直通 善l 卸1 3 一 j l ，x l ，p i1 1 2 ，) 【2 ， ， 图i - 1 分配器参数 支管流量忆和质量含气率x 2 ，侧支管流量m 3 和质量含气率x 3 ，主管入口与直通支管 出口间压差p 咖主管入口与侧支管出口间压差p 。，见图i - i 。求解分配问题时上游 参数一般是给定的，即m 。，x 。已知。同时还必须限定一个下游参数( 如a p 。) 。这样8 西安石油大学硕：f ：学位论文 个参数中3 个参数已知，必须有5 个方程方能求解剩余5 个参数。这5 个方程可以分别 为气相连续性方程，液相连续性方程，主管与侧支管问的动量方程，主管与直通支管间 的动量方程，以及一个相分配方程。 连续性方程是根据质量守恒得来的，对于气相有： m ，五= 鸩置+ 坞x 3 ( 卜1 ) 对于液相： m 门- x , ) = 鸩( ，出) + 坞( ，出) ( 1 2 ) 主管与侧支管间动量方程： 另，= 另一只= ( 另一) + ( ，) ，+ ( 巳一b ) ( 1 3 ) 主管与直通管间的动量方程： 只。= 只一只= ( 只一易) + ( a 只。) ，+ ( 乃一只) ( 1 4 ) 上述两方程右方第一项和第三项是两相混合流过管道引起的压力损失，为相应的摩 擦和重力压降之和；第二项是气液两相流在三通处的压降。 第5 个方程为相分配方程，它决定了相分离的程度，相分配方程有经验公式、力学 模型、现象模型以及数值模型等多种形式侧。 1 2 3 研究中存在的问题 近年来两相流通过三通等分配器的研究已经取得了一定的进展，但两相流通过分配 管件的分配非常复杂，且受分配器结构、上游流型、分流比、流体物性等多种因素影响， 两相流的分配问题远没有解决。 另外，从发表的文章看来，目前相分配研究对象多局限于三通管，研究者通过改变 各个支管的方位和直径来研究这些因素对两相流分配的影响。多相流通过管路小孔的研 究很少，主要局限于核动力领域失水事故。这些研究中，侧支管相对较长，一般都大于 0 0 3 m ，不是真正意义上的破口，而且实验过程中一般控制气液界面高度为一恒定数值， 基本没有考虑在实际气液两相管流中气相和液相流量波动引起气液界面高度变化对分 配的影响，测试段一般比较短( 小于l o m ) ，流动未充分发展。因此这些研究与实际多 相流管道上的破口研究有很大的差距。 本文以管壁小孔为研究对象，将小孔直接布置在管壁上，设计能真实模拟小孔分配 的实验装置，对气液两相流通过管壁小孔的分配特性开展深入研究，揭示其分配机理， 同时提出相分离控制方法。此外，本文还对小孔分配在气液两相流流量测量以及等干度 分配器方面的应用进行介绍。 4 第一章绪论 1 3 本文章节安排及主要研究内容 全文共分为8 章，具体研究内容如下 第一章：介绍课题研究的意义以及多相流体分配研究进展； 第二章：介绍管壁小孔分配相分离实验装置及两相流实验系统； 第三章：气液两相流流型对小孔分配特性的影响研究； 第四章：气液两相流通过不同结构分配器的分配特性研究； 第五章：均匀环状流型下的小孔分配特性研究； 第六章：基于管壁取样的分配器在气液两相流量测量中的应用研究 第七章：基于管壁取样分配原理的等干度分配器设计及应用研究 第八章：结论，对全文进行回顾总结。 两安石油大学硕士学位论文 第二章实验装置及系统 2 1 管壁小孔相分离特性的表征 气液两相流体流经管壁小孔时一部分沿原通道继续向下游流动，这部分流体称为主 流体，另- - d , 部分两相流体经管壁小孔进入外界环境，这部分流体称为分流体。气液两 相流体通过管壁小孔进入外界环境的相分离特征可用气相分流系数和液相分流系数来 表示。气相分流系数表示进入小孔的气相质量流量( 慨) 与主管路内总气相流量( 。) 的比值，液相分流系数表示进入小孔的液相质量流量( 慨) 与主管路内总液相流量( 。) 的比值，即： 缸：丝立( 2 1 ) u m g 足，：丝立( 2 2 ) 。 m l 式中，膨，丘分别为气相分流系数与液相分流系数；如，。分别为进入小孔的气相 流量与主管气相流量；舭，。分别为进入小孔的液相流量与主管液相流量。 很显然，如果气液相分配系数相等，即l ( g = k l ，表明通过小孔进入外界的气液两相流 体与主管路具有相同的组分，若二者不同，则发生了相分离。通过改变分配器结构及入 口流型，可以分别探讨这些因素对小孔相分离的影响。分流系数的测定是在空气一水两 相流实验台上进行的。 2 2 小孔分配特性测量装置 ( a ) 6 第二章实验装置及系统 1 9 0 表盘 线 ( b )( c ) 图2 - 1小孔分配装置结构示意图 为了研究气液两相流通过管壁不同方位小孔的分配特性，设计了如图2 - 1 a 所示的 装置。小孔方位可沿周向任意调节。 整个装置由s l ，s 2 ，s 3 三部分组成。s 1 段s 3 段为固定段，分别通过法兰1 和法 兰2 与主管道系统相连。s 2 段为可转动段，可沿管轴线旋转，从而改变分配小孔的位 置。s 2 和s 1 段通过法兰3 和法兰4 连接在一起，通过法兰3 和法兰4 挤压密封垫片进 行端面密封。法兰3 固定于s 1 段环室外壁上，而法兰4 为活动法兰片，能沿s 2 段管外 壁任意方向转动，从而保证在s 2 段转至任意角度时都能和法兰3 连接。s 2 段和s l 段 在环室内部的密封采用0 型圈进行侧面密封，见图2 - 1 b 。由于s 3 段固定于主管道系统 上，采用了一个橡胶密封环实现s 2 段和s 3 段的连接。 为了显示小孔的周向位置，设计了一个角度指示装置，该指示装置固定于s 2 段， 其中心线与s 2 段中心线重合。铅垂线上方固定于指示装置表盘中心，自由端悬一重物。 转动s 2 段时，角度指示装置也沿着主管轴线转动，根据铅垂线在表盘上所指示的刻度 即可确定小孔的周向位置。 气液两相流体从主管道系统进入测试段后，大部分流体直接流入下游管道，另一小 部分气液混合物在分配小孔两侧压力差作用下，穿过小孔进入环室空间。随后通过与环 室相连的侧支管进入分流回路。通过后续的计量分离器将分流回路的两相流体分离成单 相气体和单相液体后分别计量各相流量。 在主流体管路中安装有节流孔板，其作用是增大主流体回路的阻力，从而增加进入 分流体回路的气液相流量。在侧支管和主管下游还分别安装了流量调节阀。在主管路和 分流管路的调节阀以及主管节流孔板的作用下，改变了分配小孔两侧压力差，从而实现 了分流回路的流量调节。 压力的测量通过p 1 ，p 2 ，p 3 ，p 4 引压管接头完成，引压接头通过引压管与压力变 送器相连。通过p 1 可测量测试段压力，分配小孔两侧差压通过p 卜p 2 之间的压差来测 量，p 3 一p 4 间差压为节流孔板两侧差压。 实验介质为空气一水，测试段管径为0 0 4 m ，实验研究了气液两相流通过方位角分 7 两安石油大学硕士学位论文 别为0 0 ，9 0 0 小孔的分配特性。实验中出现的流型包括环状流，波浪流以及段塞流。 实验步骤如下： 调节小孔至既定位置，调节主管气相流量和液相流量至所需值，通过主回路和分流 体回路上的流量调节阀调节进入侧支管的流量大小。通过计量分离器，测量进入侧支管 的分流体气相流量和液相流量。不断改变进入侧支管的流量，从而得到液相分流系数随 气相分流系数的变化关系曲线。通过改变主管气、液相折算速度以及小孔的方位可以分 别研究这些参数对小孔分配特性的影响。 2 3 实验系统布置 6 1 6 图2 - 2 气液两相流分配实验流程图 1 、压缩机：2 、气体旁路调节阀：3 、气体流量调节阀；4 、气体旋涡流量计；5 、垂直倒u 型管：6 、气液混合器；7 、 液体旁通阀；8 、液量调节阀：9 、孔板流量计：1 0 、流型观察段：1 1 、主管l 游法兰：1 2 、测试段上游法兰；1 3 、实 验分配器；1 4 、侧支管压力调节阀：1 5 、测量分离器；1 6 、液量测量调节阀：1 7 、u 型水封：1 8 、称重桶；1 9 、文丘 里喷嘴气体流量计；2 0 、测试段下游法兰：2 1 、主管下游法兰：2 2 、主管压力调节阀：2 3 、旋风分离器：2 4 ：水箱； 2 5 、水泵 图2 - 2 是实验系统示意图。实验管道内径为4 0 m m ，水平布置。从压缩机来的压缩 空气经气体调节阀进入旋涡流量计( 4 ) ，再经过垂直倒u 型管( 5 ) 进入两相混合器。 通过改变气体旁路调节阀( 2 ) 和流量调节阀( 3 ) 的相对开度可调节主管气体流量至指 定大小。倒u 型管的垂直高度为2 5 m ，可以有效防止两相流体管路中的液相回灌入上 第二章实验装置及系统 游的气相测量回路。从离心泵来的高压水经液体旁通阀( 7 ) 和液量调节阀( 8 ) 调节好 流量后用孔板流量计计量。 气液两相在混合器中充分混合，然后经过长为1 5 m 的稳定段后进入测试段，稳定段 长径比为3 7 5 ，保证了测试段内的气液两相流动为充分发展流动。在测试段前还装有长 度为0 5 m 的有机玻璃管制成的透明观察段，用于观察分配器入口流型。 气液两相流体经过实验分配器时大部分直接流入下游的主回路，在主回路末端，两 相混合物通过旋风分离器分离后气体从上部直接排空，液体从旋风分离器下部返回水箱 循环。另一小部分混合物进入分流回路，通过专门设计的测量分离器将这部分两相流体 分离成单相气体和单相液体后，分别测量各自的流量。 2 4 分流系数测量 根据气液相分流系数的定义，测量分流系数的大小需要知道分配器上游气相和液相 质量流量尬g ，尬l 以及进入分流回路的气相和液相质量流量m 3 a ，m 3 l 。下面对这4 个流量参数的测量仪表或测量方法进行介绍。 2 4 1 主管路气液相流量测量 主管的液相质量流量采用标定好的孔板流量计测量，孔板安装于混合器前端的单相 液体管路。主管气体测量采用的是横河机电有限公司生产的旋涡流量计，旋涡流量计输 出为体积流量，为得到质量流量必须测量气相密度。气体流量计处的气体的密度通过测 量当地温度和压力间接获得。温度采用玻璃温度计测量，压力测量采用了1 1 5 l 型压力 传感器。在本实验中还考虑了当地大气压力对气相密度大小的影响，采用北京宝云公司 生产的b y 2 0 0 3 p 型数字大气压力表测量本地每日的大气压力，测量精度为0 1 k p a 。 2 4 2 分流体气液相流量测量 为了准确计量分流体的气相和液相流量，设计了如图2 3 所示的计量分离器。分离 器壳体中装设一竖直立管，立管与实验分配器侧支管相连。从侧支管来的分流体气液两 相混合物进入分离器后在竖直立管内向上流动。竖直立管内部安装有扰流叶片，管壁开 有多个直径不等的分离孔，密度较大的液体在扰流叶片产生的离心力作用下，被甩向管 壁从分离孔排出。气体由于密度较小，大部分流向立管上部，流量通过文丘里喷嘴流量 计测量。 文丘里喷嘴安装在分离器上部的单相气体管路，是为了测量分流体小气量而专门设 计的。图2 - 4 为结构示意图，喷嘴喉部直径为5 1 m m ，扩散段锥角为1 0 0 。计量分离器 下部连接一u 型水封，水封下方设置一称重桶，通过计算一定时间内流入称重桶的液体 质量即可得到液相质量流量。液体质量用j j 5 0 0 0 型电子秤测量，电子秤量程为0 - - 5 0 0 0 9 ， 9 两安石油人学硕l ：学位论文 。觋娶嘲， 争也主副臼 图2 - 4 文丘里结构示意图 2 5 数据采集系统 实验采集的参数包括分配器上游气相管路 气体体积流量，温度，压力，液体流量，测试 段的温度和压力，分流回路的气体流量、温度、 压力等。气体流量计以及压力、差压变送器输 出信号均为4 2 0 m h 直流信号，经电流一电压 转换后通过计算机进行数据采集记录，图2 5 为数据采集系统示意图。 图2 3 计量分离器结构示意图 数据采集板为美国国家仪器有限公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 的n i6 0 2 3 e 高速 数据采集卡，能采集1 6 个通道的信号，采样速度能达到2 0 1 0 5 h z ，采样精度能达到 1 2 位。实验中采用的采样频率为2 0 0 0 h z ，采样时间为1 8 0 3 6 0 s 。 图2 - 5 数据采集系统 1 0 第二章实验装置及系统 2 6 介质物性计算 实验介质气相为空气，液相为水，其物性参数计算如下。 2 6 1 空气物性参数计算 空气密度由气体状态方程计算： p 2 可而面 ( 2 3 ) 其中p 为气体压力，p a ；t 为摄氏温度，：r 为气体常数，对空气r = 2 8 7 1j ( k g k ) 。 空气动力粘度： ft + 2 7 3 ，1 5 、。 2 7 3 1 5 + c 比确i 面j t + 2 7 3 1 5 + c ( 2 _ 4 ) 其中心是0 、一个大气压下空气的动力粘度，其值为1 7 1x1 0 _ 5 p a s ；c 是 s u t h e r l a n d 常数，对空气c = 1 2 2 k 。 2 6 2 水物性参数计算 由于实验分别在不同时间段进行的，温度差别较大。为此，水的密度、粘度、表面 张力分别采用如下公式计算： 实验用自来水密度满足如下关系式： 几2 0 4 1 7 6 t + 1 0 0 5 3 ( 2 5 ) 水的动力粘度满足如下关系式： p ，= 1 6 6 8 e 卸_ 0 2 2 1 l o 句 ( 2 6 ) 空气一水表面张力满足如下关系式： 仃= 一0 0 0 0 1 5 5 t 2 0 1 4 6 t + 7 5 8 6 ( 2 7 ) 其中，t 为介质温度，；p 、v 为水的密度；k g m 3 ：队为动力粘度，p a s ；o 为空气 水界面张力，m n m 。 两安石油火学硕士学位论文 第三章基于流型的小孔的分配特性研究 3 1 实验测量方法 在第2 章所介绍的实验系统上 进行实验，重点考察不同流型下的分 配特性。选择了两相水平混输管内具 有代表性的三种流型，即分层流、环 状流和段塞流。调节主管气、液相流 量，在实验管道内分别实现所期望的 流型。观察气液两相流在特定流型下 的分配过程中的流动特性，并采集小 孔两侧压力以及进入小孔的流量等 参数。 3 2 分层流型下的分配特性 3 2 1 分层流下小孔分配特性 在气液相流量均较小时水平管 内会出现分层流型。此时气液两相之 间存在一分界面，气相占据管截面上 部空间，而液相则在管底部流动。实 验发现进入管壁小孔的气液相比例 主要受小孔方位和气液界面位置的 影响。 ( d ) 图3 - 1 分层流通过管壁小孔的流动特征 图3 一l a _ 图3 - 1 c 为小孔位于管 底部时两相流通过小孔的流动情况。当小孔位于气液界面以下，小孔两侧压力较低时进 入小孔的基本全是液体，然而随着压差的增大，小孔上方气液界面开始变形，出现下凹， 见图3 - 1 a 。随着压差进一步增加，小孔上方气液界面变形加剧，形成漩涡，小孔出口 开始出现小气泡，见图3 一l b 。当压差进一步增大时，气体会冲破小孔上方的液膜，形成 连续气流从小孔喷出，见3 - 1 c 。图3 - 1 d 为两相流通过位于气液界面以上小孔的流动示 意图。当分配小孔位于液面上部时，如果小孔两侧压差较低，进入小孔的基本全是气体， 随着压差的增加，进入小孔的气量增加，由于气相加速而导致小孔入口压力降低，使得 气液界面上的液体也可能会被气体夹带而进入小孔。 l i i i 吣 i 覆 鎏 第三章基于流型的小孔分配特性研究 3 2 2 小孔起始夹带临界高度 从气液两相流通过管壁小孔的流动现象可以知道，如果小孔位于气液相分界面以 下，在小孔两侧压差较小时气体不会进入分配小孔，只有压差达到一临界值时才开始发 生夹带现象，即气体穿透液膜进入小孔。同样，当小孔位于气液界面以上，在压差较小 时液体不会被气体夹带进入分配小孔，只有压差达到一临界值时液体才会在伯努利效应 作用下进入小孔。因此可以认为当压差一定时，存在一临界高度h 。，如果小孔入口与气 液界面之间的距离h 大于该临界高度，将不会发生夹带现象。而当小孔与气液界面的垂 直距离等于该临界值时，夹带开始发生，但小孔出口仍为单相气体或单相液体。当压差 进一步增大时，即出现h h 。，气相或液相开始被夹带，此时小孔出口将为两相混合物。 许多学者研究表明气液相起始夹带时的l 临界高度f 1 。与弗鲁德数有关，具有如下形 式： 厶 兰=cfro_(3-i) d 弗鲁德数定义如下： 其中： f r 一 = 惫 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) m 3 c 可用下式计算： m e c = 心厕 ( 3 4 ) ( 3 - 5 ) 以上各式中，d 为小孔直径；a 为小孔流量系数；p 为小孔两侧差压；u 为流速； 下标c 表示进入分配小孔的连续相，如果小孔位于气液界面以下，连续相为液相，如果 分配小孔处于气液分界面以上，气相为连续相；m 为连续相质量流量；p c 为连续相密度； p 为气液两相密度差；g 为重力加速度；c c 为临界夹带高度修正系数。 若将小孔流量系数a 以及气液相密度差p 看作是不变常数，从式( 3 5 ) 可以看出 临界高度h 。主要由小孔两侧差压决定。 当气液界面与小孔间的距离大于临界高度时，进入小孔的将为单相介质，如果小孔 位于气液界面以下，进入小孔的全为液体，质量含气率为0 ，如果小孔位于气液界面以 仉 厂j 0 巴 i i 至得) ， 一 3 ，l一)l 一 3 式 公由 西安石油大学硕士学位论文 上，进入小孔的全为气体，其质量含气率为l 。随着临界高度的增加，当小孔位于气液 界面以下时，气体开始进入小孔，质量含气率逐渐增大，即随着h h 。的减小质量含气率 逐渐增大；当小孔位于气液界面以上h 时，当h ( h 。时液体开始进入小孔，随着h h 。的 减小质量含气率逐渐减小。可见进入侧支管的质量含气率与小孔和气液分界面的距离h 及临界高度h 。的比值有关 3 3 环状流型下的小孔分配特性 在环状流型下，气相在 管中心流动，一部分液体以 液膜形式贴着管壁流动。在 实验中发现对于环状流型， 如果小孔处液膜较厚，小孔 压差不是很大情况下，小孔 处液膜将发生下凹变形，但 液膜仍保持连续，管中心和 小孔出口未形成连续的气体 通道，进入小孔的全是液体， 见图3 - 2 a 。 ( a ) ( b ) 图3 - 2 环状流通过小孔的流动特征 随着小孔两侧压差的增加，气体开始进入小孔，小孔上方液膜被气流击穿，气体形 成连续通道进入分配小孔。随着进入小孔的气相流量的增加，气体通道面积增大，小孔 上方更大面积的液膜被气流撕裂进入小孔，见图3 2 b 。 从气液两相流环状流通过管壁小孔的流动 现象可以看出，环状流的分配和分层流一样， 存在一个临界高度h 。，当分配小孔处的液膜厚 度大于该临界高度时，不会发生气体夹带，此 时，进入小孔的液体流量m 3 。由小孔两侧差压决 定，可用单相流孔板公式计算。当两相流同时 通过管壁小孔时，本文建立了如图3 3 所示的 分配模型。认为进入小孔的气相流量来自于 角所对应的弓形面积( 图中阴影部分) ，则气相 分流系数可以写作： 图3 - 3 环状流相分配模型 屹= 譬 仔6 ) 式中。为分配角，它决定了气相分配影响区的范围。 若扇形所包围的液膜都能进入分配小孔，则侧支管液体流量可以写作 1 4 第三章基于流型的小孔分配特性研究 蚝= r 雠凡删a ( 3 7 ) r 为主管半径，u 为当地液膜速度，6 为当地液膜厚度，0 为小孔方位角。认为不同 周向位置液膜流速均为u - ，则上式可以化简为： 慨= r p 。麟6 比 ( 3 _ 8 ) 定义瓯为分配角所对应的影响区的平均液膜厚度，则有： 麟6 d a = 6 妒 ( 3 - 9 ) 从而式( 3 8 ) 可以写成： 坞工= p 。玑瓯尺 ( 3 1 0 ) 而整个管周液膜流量为： = p l 6 2 7 r r ( 3 1 1 ) 式中，6 为整个管周平均液膜厚度。 公式( 3 1 1 ) 计算结果为主管路液膜流量。对于环状流，由于一部分液相以液滴形 式被高速气体携带在管中心流动，因此液膜流量与整个液相流量具有如下关系： = m l ( 1 一e ) ( 3 1 2 ) 式中e 为液相夹带率。 由式( 3 - 1 0 ) ，( 3 - 1 1 ) ，( 3 - 1 2 ) 得到： 坞= 軎丢= 争丢m 一e ) c 3 砌， 上式是认为进入分配小孔的气体和液体来自于同一分配角推导的，而实际上液相 分配角与气相分配角可能并不相同，为此须对公式( 3 - 1 3 ) 进行修正，认为液相分配角 为气相分配角的c 。倍，则有： 甏_ k l = 阱- 删罟 仔 m 工。l6 、 7 2 7 r 式中c 。为液相分配影响区修正系数。公式( 3 - 1 4 ) 即为环状流型下气液两相流同时 通过小孔的相分配方程。 式中妥尘项反映了液相分配影响区的大小。c 。是考虑到液相分配影响区与气相分配 影响区不一致所作的修正，与小孔方位角有关，可通过实验确定。 万项为分配影响区的平均液膜厚度与整个管周平均液膜厚度的比值，反映了小 孔处液膜流量对分配的影响，如果小孔位于底部管壁，由于底部液膜较厚，以较大， 故万也较大，从而小孔上方的液相流量较大，进入分配小孔的液量也较多；若小孔 西安石油大学硕士学位论文 位于项部管壁，由于项部液膜很薄，液相流量很小，万很小，进入分配小孔的液量 也很小。可见瓯万也间接反映了分配小孔所在位置对分配的影响。 式中( 1 - e ) 项反映了环状流液体夹带对分配的影响。因为被气体夹带的液滴速度 与气相速度接近，动量很大，很难改变方向进入管壁小孔，进入小孔的液相主要来自于 速度较低，动量较小的液膜。 3 4 段塞流型下的管壁小孔的分配特性 段塞流是一种间歇性流动，表现为长气泡和液塞交替流过分配管截面。根据t a i t e l 等人提出的段塞流模型，段塞流型的流动结构可简化为由长气泡和液塞组成的单元体 。1 。图3 4 是段塞流结构示意图，液膜长为l ，液塞长l s 。 段塞流型下气液两相流通过小孔的分配可以看作是液膜区分配和液塞区分配两部 分的叠加。液膜区的分配状况与分层流分配类似。而在液塞区，众多小气泡弥散在液体 中，液塞中的气液两相可以看作是混合均匀的混合物，进入取样孔的气液相流量由小孔 两侧差压决定，而受小孔方位影响较小。当液塞来临时，分配管内压力突然增大，而小 孔外侧与计量分离器相连，压力变化不大，因此小孔两侧压力也突然增加。液塞来临时 小孔两侧差压甚至达到液膜区小孔两侧差压的2 倍，见图3 5 。可见当液塞来临时，由 于液塞充满整个分配器截面，不同位置的分配小孔接触的两相流“样品”基本相同，即 使分配小孔位于上部管壁也会有大量液体进入。 l 一l ，l l s 一 澍一粼 v 。 qb 人 o ；9 f o 酽q 图3 - 4 段塞流结构示意图 1 6 第三章基于流型的小孔分配特性研究 t o口oi a- 卸 竹一s 图：3 - 5 段塞流型下分配小孔两侧差压波动曲线 3 5 实验结果与分析 图3 - 6 和图3 - 7 为实验测量得到不同流型下的气液相分流系数关系曲线。图3 6 中 分配小孔位于管壁底部( 0 = 0 0 ) ，图3 - ? 中分配小孔位于侧壁( 0 = 9 0 0 ) 。图3 - 6 可以看 出，当小孔位于管壁底部时，在相同液相折算速度下环状流型下的分配曲线位于分层流 型以下，这说明分层流型下液相更容易进入小孔。这是因为，当流型为分层流时液相主 要沉积在管