氣液兩相流整理

1、第一章概論相的概念：相是體系中具有相同化學(xué)組成和物理性質(zhì)的一部分，與體系的其它均勻部分有界面隔開兩相流動(dòng)的處理方法：雙流體瞬態(tài)模擬方法和精確描述物理現(xiàn)象的穩(wěn)態(tài)機(jī)理模型是多相管流研究的主要方法目前研究存在的問題：1、多相流問題未得到解析解；2、油氣水三相流的研究不夠深入；3、水平井段變質(zhì)量流動(dòng)研 究較少；4、缺乏向下流動(dòng)的綜合機(jī)理模型；5、缺乏專用研究儀器氣液兩相流的分類：1、細(xì)分散體系：細(xì)小的液滴或氣泡均勻分散在連續(xù)相中2、粗分散體系：較大的氣泡或液滴分散在連續(xù)相中3、混合流動(dòng)型：兩相均非連續(xù)相4、分層流動(dòng)：兩相均為連續(xù)相氣液兩相流的基本特征：1、體系中存在相界面：兩相之間也存在力的作用，出現(xiàn)

2、質(zhì)量和能量的交換時(shí)伴隨著機(jī)械能的損失2、兩相的分布情況多種多樣：兩相流動(dòng)中兩相介質(zhì)的分布稱為流型3、兩相流動(dòng)中存在滑脫現(xiàn)象：相間速度的差異稱為滑脫，滑脫將產(chǎn)生附加的能量損失4、沿程流體體積流量有很大變化，質(zhì)量流量不變氣液兩相流研究方法：1、經(jīng)驗(yàn)方法：從氣液兩相流動(dòng)的物理概念出發(fā)，或者使用因次分析法，或者根據(jù)流動(dòng)的基本微分方程式，得到反映 某一特定的兩相流動(dòng)過程的一些無因次參數(shù)，然后依據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出描述這一流動(dòng)過程的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。優(yōu)點(diǎn)：使用方便，在一定條件下能取得好的結(jié)果缺點(diǎn)：使用有局限性，且很難從其中得出更深層次的關(guān)系2、半經(jīng)驗(yàn)方法：根據(jù)所研究的氣液兩相流動(dòng)過程的特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡化，再

3、從兩相流動(dòng)的基本方程式出發(fā)， 求得描述這一流動(dòng)過程的函數(shù)關(guān)系式，最后用實(shí)驗(yàn)方法確定出函數(shù)關(guān)系式中的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。優(yōu)點(diǎn)：有一定的理論基礎(chǔ)，應(yīng)用廣泛缺點(diǎn)：存在簡化和假設(shè)，具有不準(zhǔn)確性3、理論分析方法：針對各種流動(dòng)過程的特點(diǎn)，應(yīng)用流體力學(xué)方法對其流動(dòng)特性進(jìn)行分析，進(jìn)而建立起描述這一流動(dòng) 過程的解析關(guān)系式。優(yōu)點(diǎn)：以理論分析為基礎(chǔ)，可以得到解析關(guān)系式缺點(diǎn)：建立關(guān)系式困難，求解復(fù)雜研究氣液兩相流應(yīng)考慮的幾個(gè)問題：1、不能簡單地用層流或紊流來描述氣液兩相流2、水平或傾斜流動(dòng)是軸不對稱的3、由于相界面的存在增加了研究的復(fù)雜性4、總能量方程中應(yīng)考慮與表面形成的能量問題5、多相流動(dòng)中各相的溫度、組分的濃度都不是均勻的

4、，相之間有傳熱和傳質(zhì)6、各相流速不同，出現(xiàn)滑脫問題，是多相流研 究的核心與重點(diǎn)流動(dòng)型態(tài)：相流動(dòng)中兩相介質(zhì)的分布狀況稱為流型或兩相流動(dòng)結(jié)構(gòu)流型圖：描述流型變化及其界限的圖。把流型變換的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加以總結(jié)歸納后，按照兩個(gè)或多個(gè)主要的流動(dòng)參數(shù)繪成 曲線，便可以得到流型圖。影響流型的因素：1、各相介質(zhì)的體積比例2、介質(zhì)的流速3、各相的物理及化學(xué)性質(zhì)（密度、粘度界面張力等）4、流 道的幾何形狀5、壁面特性6、管道的安裝方式流型分類：1、根據(jù)兩相介質(zhì)分布的外形劃分；垂直氣液兩相流：泡狀流、彈狀流、段塞流、環(huán)狀流、霧狀流。水平 氣液兩相流：泡狀流、團(tuán)狀流、層狀流、波狀流、沖擊流、環(huán)狀流、霧狀流。2、按流動(dòng)的數(shù)

5、學(xué)模型或流體的分散程度劃分為：分散流、間歇流、分離流。兩種分類方法的比較：第一類劃分方法較為直觀；第二類劃分方法便于進(jìn)行數(shù)學(xué)處理氣液兩相流的特性參數(shù)：質(zhì)量流量:單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的流體質(zhì)量，kg/s,|G = G一+ G氣相質(zhì)量流量:單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的氣體質(zhì)量，kg/s，g l液相質(zhì)量流量:單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的液體質(zhì)量，kg/s，體積流量:單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的流體體積，m3/s，氣相體積流量:單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的氣體體積，m3/s液相體積流量:單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的液體體積 相速度：單位相面積所通過的該相容積流量,m/sm3/sQ = Qg + QiGl = Pl Ql

6、vgAll折算速度:假定管道全被一相占據(jù)時(shí)的流動(dòng)速度，m/s= v A Ql = v lAl兩相混合物速度：混合物的質(zhì)量速度：G,A滑差（滑脫速度）：氣液兩相相速度之差滑動(dòng)（滑移）比：氣相相速度與液相相速度之比質(zhì)量含氣率： 質(zhì)量含液率： 體積含氣率： 體積含液率：單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的混合物總質(zhì)量G中氣相質(zhì)量所占的份額 單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的混合物總質(zhì)量中液相質(zhì)量所占的份額 單位時(shí)間流過過流斷面兩相流體（混合物）總體積Q中氣相所占的份額 單位時(shí)間流過過流斷面兩相流體（混合物）總體積Q中液相所占的份額X = G G =Ggg G + Gg- =gQ Q + Qg i真實(shí)含氣率:即截面含氣率或

7、空隙率，為任一流動(dòng)截面內(nèi)氣相面積占總面積的份額（氣相面積與管道總面積之比） 真實(shí)含液率:又稱截面含液率或持液率，為任一流動(dòng)截面內(nèi)液相面積占總面積的份額（液相面積與管道總面積之比）0 = A /A gH = AJAP PX =1P iJp+(1 -p)2 P gGg = P g QgG=P Qll小_Q0 =g-Q + QgllvlQ QgQ Q + Q Q 匚g 1 viP+ (1-P) S快關(guān)閥法測量真實(shí)含氣率：易于實(shí)現(xiàn)，只能得到平均值，且不能在線測量。A x L + A x L A x L + A x L流動(dòng)密度: 單位時(shí)間內(nèi)流過過流斷面的混合物質(zhì)量與體積之比p = G / Q G + G

8、 p = -1gQ真實(shí)密度：在流道上取微段，=Q1Pl + QR-=Q = pp +（1-p）p微段內(nèi)兩相流體的質(zhì)量與容積之比一般地，p= ppg+(1-p) p iP=OP g+ (1-0) P ip A AL + P A ALP = g g A AL 1 1當(dāng)廠vg （無滑脫）時(shí),PA +PA. A=0P +(1-0)Pgi第二章 氣液兩相流的模型常用的模型有流動(dòng)型態(tài)模型、均相流動(dòng)模型、分相流動(dòng)模型和漂移流動(dòng)模型等。流動(dòng)型態(tài)模型：按不同流動(dòng)型態(tài)分別建立的流動(dòng)機(jī)理模型。特點(diǎn)：1、針對性強(qiáng)，精確度高；2、數(shù)學(xué)處理復(fù)雜，計(jì)算量大；3、流型界限確定困難均相流動(dòng)模型：把氣液兩相混合物看成均勻介質(zhì)，其

9、物性參數(shù)取兩相的均值而建立的模型兩個(gè)假定：1、特點(diǎn)：1、2、3、氣相和液相的實(shí)際速度相等；2、兩相介質(zhì)已達(dá)到熱力學(xué)平衡狀態(tài) 對于泡狀流和霧狀流，具有較高的精確性對于彈狀流和段塞流，需要進(jìn)行時(shí)間平均修正 對于層狀流、波狀流和環(huán)狀流，則誤差較大均流模型摩擦阻力折算系數(shù)：按均流模型進(jìn)行氣液兩相流動(dòng)摩阻壓差計(jì)算時(shí)，常把兩相流動(dòng)摩擦阻力的計(jì)算與單相流動(dòng)摩擦阻力的計(jì)算關(guān)聯(lián)起來，即常使用全液相折算系數(shù)、分液相折算系數(shù)或分氣相折算系數(shù)全液相折算系數(shù)：設(shè)水平管道內(nèi)的兩相流動(dòng)為均勻流動(dòng)，沒有重位壓差與加速度dF =t nDdz = f 吐nDdzw2dF = 一 dp A = fP v2o0-兀Ddz2dFdF0

10、dpdp0fPv2r P v2f p v2f o o-兀Ddz0 0002分液相折算系數(shù)：再設(shè)管道的D、 量等于兩相流動(dòng)中液相的質(zhì)量流量。A和dz仍與兩相流動(dòng)管道的相同，但通過管道的流體為單一的液體，而且其質(zhì)量流dF =一 dp A = fslslslP v212 si 兀Ddz,_ dF _ dp _i dF dpsi sif P22-兀Ddz,P v2f p v2f isr 兀Ddzsi i sisi 2分氣相折算系數(shù)：再假設(shè)另一種情況。設(shè)管道的D、A和dz仍與兩相流動(dòng)管道相同，但通過管道的流體為單一的氣體，而且其質(zhì)量流量等于兩相流動(dòng)中氣相的質(zhì)量流量。，f吧兀Ddz.P v 2dF _ d

11、p _ f 2_ fp v2dFs =- dpsA = f y 兀Ddz0 2 =正一礦v- 7Wggg 2sg sg fi_2 兀Ddzsg g sg分相流動(dòng)模型：它是把氣液兩相流動(dòng)看成為氣、液相各自分開的流動(dòng)g每2目介質(zhì)都有其平均流速和獨(dú)立的物性參數(shù)因此需要建立每一相介質(zhì)的流體動(dòng)力特性方程式。這就要求預(yù)先確定每一相占有過流斷面的份額(即真實(shí)含氣率)以及介 質(zhì)與管壁的摩擦力和兩相介質(zhì)之間的摩擦阻力，為了取得這些數(shù)據(jù)，目前主要是利用試驗(yàn)研究所得的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式。分流模型的基本假設(shè)是：(1)兩相介質(zhì)有各自的按所占斷面積計(jì)算的斷面平均流速；(2)雖然兩相介質(zhì)之間可能有質(zhì)量交換，但兩相之間處于熱力學(xué)平衡

12、狀態(tài)，壓力和密度互為單值函數(shù)。分流模型適用于層狀流、波狀流和環(huán)狀流漂移流動(dòng)模型：它是由朱伯(Zuber)和芬德萊(Findlay)針對均流模型、分流模型與實(shí)際的兩相流動(dòng)之間存在的偏差 而提出的特殊模型。在均流模型中，沒有考慮兩相間的相互作用，而是用平均流動(dòng)參數(shù)來模擬兩相介質(zhì)；分流模型中，盡管在流動(dòng)特性方 面分別考慮了每相介質(zhì)以及兩相界面上的作用力，但是每相的流動(dòng)特性仍然是孤立的；而在漂移流動(dòng)模型中，既考慮了氣 液兩相之間的相對運(yùn)動(dòng)，又考慮了空隙率和流速沿過流斷面的分布規(guī)律。多相流壓力梯度計(jì)算通式：dPdZ分布系數(shù)：分布系數(shù)表示兩相的分布特性，即流動(dòng)型態(tài)的特性，當(dāng)空隙率及速度在斷面上為均勻分布時(shí)

13、，C(=1dv , , P v2=P g Sin U + P v m + f -m mmm m dZ m d 2第三章 油藏流體高壓物性的計(jì)算用于計(jì)算石油多相流流體物性參數(shù)的模型有黑油模型和組分模型兩大類黑油模型：是按照油氣的相對密度等來估算一定壓力和溫度條件下流體的氣液組成以及物性參數(shù)的一種方法。優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算簡單、編程方便、運(yùn)算速度快；缺點(diǎn)：不能計(jì)算油、氣組成沿井筒的變化，無法考慮氣體的反凝析現(xiàn)象，計(jì)算較粗糙。黑油模型適用于油藏流體組分不能精確地用摩爾分?jǐn)?shù)表達(dá)的場合，如：原油和伴生氣多相管流的計(jì)算等。組分模型：是按照流體的組成、溫度和壓力，通過狀態(tài)方程來確定平衡條件下氣液的組成和PVT參數(shù)的處

14、理方法。利 用組分模型能夠準(zhǔn)確地模擬包括反凝析現(xiàn)象、焦耳湯普遜效應(yīng)、節(jié)流降溫效應(yīng)在內(nèi)的復(fù)雜傳熱傳質(zhì)過程。特點(diǎn)：組分模型精度高，但模型復(fù)雜，所需計(jì)算時(shí)間長，一般用于揮發(fā)油，液化石油氣，凝析氣和濕天然氣的計(jì) 算。按油藏流體的物理相態(tài)特征可將油氣藏區(qū)分為稠油油藏、黑油油藏、揮發(fā)性油藏、凝析氣藏、濕氣藏和干氣藏。壓縮因子：反映了相對于理想氣體，實(shí)際氣體壓縮的難易程度。Z0.5,則分層流將轉(zhuǎn) 變?yōu)闆_擊流；當(dāng)平均液面低于管中心線時(shí)，即 h 0.5，管內(nèi)沒有足夠的液體使波峰達(dá)到管頂，于是管內(nèi)液 體被高速氣流吹向管壁形成環(huán)狀流。因此，泰特爾和杜克勒選 h =0.5作為沖擊流和環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變界限。由層狀流轉(zhuǎn)變?yōu)椴?/p>

15、狀流的判別：分層流又可細(xì)分為層狀流和波狀流兩種。當(dāng)壓力和切力對波所作的功超過波的粘滯耗損時(shí)，波將在液層的表面被激起。由沖擊流轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑴轄盍鞯呐袆e：當(dāng)液體的波浪達(dá)到管頂形成液塞時(shí)，波浪兩側(cè)存在波谷。當(dāng)管內(nèi)液體流量較大致使液面高達(dá)管頂，而且此時(shí)液體的紊流脈動(dòng)十分激烈足以克服使氣體存在于管頂處的浮力時(shí)，氣體 就有與高速流動(dòng)的液體混合的趨勢，于是沖擊流就向分散泡狀流轉(zhuǎn)變。Xiao方法計(jì)算水平氣液兩相流壓降：1990年，肖（Xiao）對水平管路及接近水平管路中的氣液兩相流進(jìn)行了研究。他 們參照前人的研究結(jié)果，將水平管中氣液兩相的流動(dòng)型態(tài)劃分為分層流（包括層狀流和波狀流）、間歇流（包括團(tuán)狀流和 沖擊流）

16、、環(huán)狀流（包括環(huán)狀流和環(huán)霧流）和分散泡狀流四種主要形式，并給出了各種流動(dòng)型態(tài)的判別方法，進(jìn)而針對各 種流動(dòng)型態(tài)的流動(dòng)機(jī)理和特點(diǎn)，分別建立了描述其流動(dòng)特性的模型。注意：與鉛直管流的情況不同，在水平和傾斜管流中，管壁周圍的液膜并不是均勻的，通常底都要比頂都厚一些。 垂直井筒與水平井筒氣液兩相流的典型流型有什么異同（分別按兩種流型劃分方法解釋）？答：（1） 根據(jù)兩相分布外形。垂直井筒的典型流型包括泡狀流、彈狀流、段賽流、環(huán)狀流、霧狀流。水平井筒中氣液兩相 流型包括泡狀流、團(tuán)狀流、層狀流、波狀流、沖擊流、環(huán)狀流、霧狀流。（2）按流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型或流體的分散程度劃分為分散流、間歇流和分離流三種。第七章 傾

17、斜氣液兩相流的計(jì)算當(dāng)油氣集輸管線穿越丘陵及多山地帶或鋪設(shè)在海底并向上傾斜延伸到海岸時(shí)，集輸管線與水平方向存在一定的傾角， 因而將水平管中氣液兩相流動(dòng)的壓差計(jì)算方法用于這種傾斜流動(dòng)時(shí)常是不成功的。這是因?yàn)?，傾斜管中氣液兩相混合物在 上升時(shí)具有重位壓差，且重位壓差常大于其摩阻壓差；同時(shí)，由于下坡流動(dòng)時(shí)氣液混合物的密度及持液率通常要比上坡時(shí)小得多，從而使氣液兩相傾斜管流上坡時(shí)的壓力損失在下坡地段是難以象單相流動(dòng)那樣完全恢復(fù)。貝格斯-布里爾方法:Beggs-Brill方法是可用于水平、垂直和任意傾斜氣液兩相管流動(dòng)計(jì)算的方法，是Beggs和Brill 根據(jù)在長15m，直徑linch和1.5inch聚炳烯

18、管中，用空氣和水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的。氣液流量配比一定的情況下，氣液滑脫程度越大，則持液率數(shù)值越大在不同的氣液兩相傾斜流動(dòng)狀況下，管道傾角的變化將引起流體的重新分布，從而使得重力和粘滯阻力對液相產(chǎn)生 不同的影響，最終引起滑脫速度和持液率的變化角度對持液率的影響：上坡流動(dòng)：當(dāng)管子角度沿正方向增加時(shí)，作用在液體上的重力使液體的流速減小，因而增加了滑脫和持液率。隨著 角度的進(jìn)一步增加，液體在管子里全部搭接起來，減少了兩相之間的滑脫，因而也減小了持液率。下坡流動(dòng)：當(dāng)角度沿著負(fù)方向增加時(shí)，使液體的流速增加，因而減小了滑脫和持液率。隨著角度沿負(fù)方向的進(jìn)一步 增加，有更多的液體與管壁接觸，粘性的拖拽使得液體的流速減小，持液率增加。為什么多相管流的壓力計(jì)算要使用分步迭代方法答：由于多項(xiàng)管流中每相流體影響流動(dòng)的物理參數(shù)如密度、粘度等及混合物密度和流速都隨壓力和溫度而變，沿程壓力梯 度不是常數(shù)。因此，多相管流需要分段計(jì)算，并要預(yù)先求得相應(yīng)段的流體性質(zhì)參數(shù)。然而，這些參數(shù)又是壓力和溫度的函 數(shù)，壓力卻又是計(jì)算中需要求得的未知數(shù)。所以，多相管流通常采用迭代法計(jì)算。怎樣將氣液兩相流動(dòng)壓力梯度的計(jì)算模型用于井筒油氣水三相混合物的計(jì)算答：在油井中，經(jīng)