第三章-多相流流型及判别方法

第三章多相流流型及判别方法多相流中各相介质的分布情况称为流型（又称多相流流动结构）。在多相流分析中，最核心的部分是多相流的流型确定。流型不同，多相流动的流动特性和传热、传质性能均不同。下面以石油工业中广泛应用的气—液两相流、液—液两相流、气—液—液三相流的流型分析为例，讨论多相流的流型及其判别方法。第一节

描述多相流的主要参数及其计算公式以最常见的气液两相流（其它多相流可类推）为例，描述多相流的各种参数有：一、流量（一）质量流量单位时间内流过管路横截面的流体质量称为质量流量。对于气液两相混输管路有：2024/11/161第三章多相流流型及判别方法（二）体积流量单位时间内流过管路横截面的流体体积称为体积流量。对于气液两相混输管路有：二、流速（一）气相和液相速度气相速度：液相速度：（二）气相和液相的折算速度气相折算速度：2024/11/162第三章多相流流型及判别方法液相折算速度：（三）气液两相混合物速度（四）气液两相混合物的质量流速三、滑差和滑动比滑差：2024/11/163第三章多相流流型及判别方法滑动比：四、含气率和含液率（一）质量含气率和质量含液率质量含气率：质量含液率：（二）体积含气率和体积含液率体积含气率：2024/11/164第三章多相流流型及判别方法体积含液率：（三）截面含气率和截面含液率（又称持液率）截面含气率：截面含液率：（四）三种含气率间的关系体积与质量含气率：2024/11/165第三章多相流流型及判别方法对于截面含气率有：一、两相混合物密度气液两相混合物密度有两种表示方法：（一）流动密度（二）真实密度六、两相混合物粘度（一）杜克勒（Dukler）计算式：2024/11/166第三章多相流流型及判别方法（二）麦克达姆（MeAdam）计算式：（三）西克奇蒂（Cieccheitti）计算式（四）阿黑尼厄斯（Arrhenius）计算式第二节多相流的各种流型多相流的流型划分通常有两类方法：一类是按照流体的外观形状来划分；另一类则是根据相的分布特点来划分。通常说来，基于现象描述的划分方法多用第一种，而基于流动机理的划分方法则多用第二种。2024/11/167第三章多相流流型及判别方法图3-1水平气液两相流流型两类划分方法示意图一、气液两相流流型（一）水平或微小倾角（＜5º）管中气液两相流流型2024/11/168第三章多相流流型及判别方法1、水平不加热气液两相流流型图3-2水平不加热气液两相流流型2024/11/169第三章多相流流型及判别方法一些学者将过渡区域进一步细分，得到更精细的流型划分图。如埃尔乌斯(Alves)法(8种流型)就另加了两种流型(如图3-3)：图3-3埃尔乌斯细分出来的两种流型2、水平受热蒸发管气液两相流的流型划分水平蒸发管由于加热，在管中出现相变，其基本流型演变过程为：图3-4加热水平蒸发管气液两相流的流型2024/11/1610第三章多相流流型及判别方法（二）垂直上升气液两相流的流型划分1、垂直上升（立式）不加热气液两相流流型图3-5垂直上升不加热气液两相流的流型2024/11/1611第三章多相流流型及判别方法2、垂直上升（立式）受热气液两相流流型同水平蒸发管类似，由于加热，在垂直上升管中出现相变，其基本流型演变过程为：图3-6垂直上升受热气液两相流的流型从图中可以看出，管线在受热后仍保持了垂直管线流型的对称性这一特点。

（三）垂直下降气液两相流的流型划分图3-7是气液两相流在管中垂直向下流动时的流型示意图。这种环状流动结构和垂直上升气液两相流的环状流型相近，但流向相反。2024/11/1612第三章多相流流型及判别方法图3-7垂直下降气液两相流的流型（四）倾斜管内气液两相流的流型划分向下倾斜时，以层状流为主；向上倾斜时，以间歇流为主。通常，当管路2024/11/1613第三章多相流流型及判别方法倾角超过30°时，流型变化接近垂直管路的流型。二、液液两相流流型（一）水平管液液两相流流型示意图图3-8划分较粗略的水平油水两相流流型2024/11/1614第三章多相流流型及判别方法在国内，西安交通大学的刘文红等人经过实验，提出了划分更细致的水平管油水两相流的流型图：图3-9划分较详细的水平油水两相流流型2024/11/1615第三章多相流流型及判别方法（二）垂直上升管的液液两相流流型划分图3-10垂直上升油水两相流流型三、气液液三相流2024/11/1616第三章多相流流型及判别方法（一）水平管气液液三相流流型图3-11水平管气水三相流流型2024/11/1617第三章多相流流型及判别方法（二）倾斜管气液液三相流流型关跃波等人对倾斜下降管油气水三相流流型进行了实验，描述了各种流型下的测量信号特征，将下降倾斜管中的气液液三相流型分为泡状流、分层流、弹状流和环状流四种。但没有给出具体的流型示意图。

四、液固两相流（一）水平管液固两相流流型示意图图3-12水平管液固两相流流型示意图2024/11/1618第三章多相流流型及判别方法（二）垂直上升管液固两相流流型示意图图3-13垂直上升管液固两相流流型示意图2024/11/1619第三章多相流流型及判别方法五、气固两相流气固两相流的流动结构和液固两相流流型相似。第三节

多相流流型判别方法影响流型的因素很多，主要有以下几项：流型与各相流体流量流型与流体的物理性质流型与管径流型与倾角2024/11/1620第三章多相流流型及判别方法第四节多相流流型判别方法一、气液两相流流型判别方法（一）纯水平管气液两相流流型判别方法1、基于流型图的流型划分方法A）贝克（Baker）流型图判别法式中：Δg——管路条件下气体对空气的相对密度；

Δl——管路条件下液体对水的相对密度；

σw——水的表面张力，σw=73×10-3N/m；2024/11/1621第三章多相流流型及判别方法图3-14贝克流型分界图2024/11/1622第三章多相流流型及判别方法为了便于在计算机上使用，可用圆锥曲线和直线对各流型分界线进行回归，得到各流型的分界线：

1）分界曲线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别方法其中：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）分界直线：L1~L3的方程为：L1:L2:L3:3）流型判别程序流程图2024/11/1624第三章多相流流型及判别方法图3-15贝克流型判别程序流程图开始输入已知数据计算Bx,By,x,yP(x,y)在L1之下吗？P(x,y)在C1之下吗？波状流层状流P(x,y)在C4及L3之右吗？P(x,y)在L2之下吗？P(x,y)在C2之下吗？P(x,y)在C3之下吗？气泡流气团流冲击流环状流按流型计算相关参数输出流型结束雾状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别方法B）Scott流型图1963年，Scott对Baker图作了修正，提出了修正的Baker流型图（如图3-16）。图3-16Scott修正后的贝克流型分界图2024/11/1626第三章多相流流型及判别方法C）Schieht流型图图3-17Schiehtj流型分界图2024/11/1627第三章多相流流型及判别方法D）曼德汉（Mandhane）流型图判别法图3-18曼德汉流型分界图2024/11/1628第三章多相流流型及判别方法E）韦斯曼（Weisman）流型图判别法图3-19韦斯曼流型分界图2024/11/1629第三章多相流流型及判别方法（二）微小倾角管路气液两相流流型判别方法A）泰特尔(Taitel)流型划分法图3-20泰特尔流型分界图2024/11/1630第三章多相流流型及判别方法1）假想液位高度的求法2）分层流转变为间歇流和环雾流的判别准则SiAgAlhldSgSlθ气相液相2024/11/1631第三章多相流流型及判别方法3）间歇流转变为环状液雾流的判别准则间歇流转变为环状液雾流的分界线方程为：

4）分层光滑流转变为分层波浪流的判别准则吉弗列(Jeffrey)等人提出用下式作为分层光滑流转变为分层波浪流的判据：5）间歇流转变为分散气泡流的判别准则2024/11/1632第三章多相流流型及判别方法B)泰特尔(Taitel)流型划分法的相关改进准则

1）分层流转变为间歇流和环雾流的判别准则当Fr＜0.538时，将在水平管中产生分层流。2）间歇流转变为环状液雾流的判别准则I、Xiao等人的改进准则若满足方程hl/d＜0.35，流型为环状液雾流；hl/d＞0.35，则为间歇流。2024/11/1633第三章多相流流型及判别方法II、胡志华等人的改进准则若上式成立，则表明流型从间歇流过渡到了环状流。3）分层光滑流转变为分层波浪流的判别准则上式成立，则流型为分层波浪流。C）韦斯曼（Weisman）流型划分法环状流过渡：分散—间歇流过渡：2024/11/1634第三章多相流流型及判别方法弥散流—环状流、间歇流、泡状流过渡：

环状流—间歇流过渡：

式中|dP/dx|sl

——沿每单位长度的流体的压降绝对值2024/11/1635第三章多相流流型及判别方法（三）垂直上升管中气液两相流型判别方法1、休惠特（Hewitt）的垂直上升管气液两相流流型判别法图3-22休惠特的垂直上升管中气液两相流流型判别图2024/11/1636第三章多相流流型及判别方法（四）垂直下降管中气液两相流流型判别方法图3-23Osgubowo和Charles的垂直下降管中气液两相流流型判别图2024/11/1637第三章多相流流型及判别方法（五）倾斜管路气液两相流型判别方法1、布里尔(JamesP.Brill)流型划分法图3-24布里尔流型分界示意图（倾角=70°，介质：空气—煤油）2024/11/1638第三章多相流流型及判别方法判别气液两相管路流型的计算流程图为：

图3-25布里尔流型划分法流程图分层流Nlw＞NlwTS|θ|

＞30ºNgw＞NgwBSNgw＞NgwBSθ＞0Ngw≥NgwsmNlw＞NlwBSNlw＞NlwST冲击流气泡流分层流冲击流气泡流冲击流气泡流环状弥散流YesNoNoNoNoNoNoNoNoYesYesYesYesYesYesYes2024/11/1639第三章多相流流型及判别方法一、液液两相流流型判别方法（一）水平管液液两相流流型判别方法1、基于流型图的流型划分方法A）戈维（Govier）等人的水平管油水两相流流型判别法图3-26戈维的水平管中油水两相流流型图2024/11/1640第三章多相流流型及判别方法B）刘文红等人的水平管油水两相流流型判别法图3-27刘文红等人的水平管中油水两相流流型图2、基于流动机理的流型划分方法2024/11/1641第三章多相流流型及判别方法A）分层流向油块状流(SLUG)、三层流(3L)和油滴分层流(ODST)的转变界限B）三层流(3L)向油滴分层流(ODST)的转变界限式中： 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

——表面张力，N/m； μo

——油的动力粘度，Pa.s； μw

——水的动力粘度，Pa.s。2024/11/1642第三章多相流流型及判别方法C）油滴分层流(ODST)向完全分散混合流(M)的转变界限D）油基环状流(OA)的转变界限E）油—油滴分散流分层流(2L)的转变界