为了准确地了解两相流动过程中相含率的变化情况从而实现监测长距离管道混输中的流态转化、流量波动以及压力脉动等,本研究基于实验数据研究了垂直管、水平管、倾斜管中气体/高黏液体两相间歇流动时液相含率的变化特性。研究结果揭示了水平、垂直和倾斜管路中液相含率的影响因素(包括黏度、倾斜角度、混合雷诺数和弗汝德数等)和变化趋势。同时提出了液相含率预测模型。误差分析表明,模型预测结果与实验测试数据较为一致。该研究对油气混输中的安全监控和保障具有重要意义

侯林彤

许晶禹

Institute Of Mechanics,Chinese Academy of Sciences

第二十九届全国水动力学研讨会论文集气体／高黏液体两相间歇流动时液相含率的变化特性研究侯林彤 ｕ ， 许晶 禹 ｕ中国科学院力学研究所 ， 北京 １０ ０ １ ９０ ）（ 中 国科学院大学工程科学学院 ， 北京 １ ０ ００４９ ， Ｅｍａｉｌ ：ｘｕ ｉｉｎｐｖｕ＠ｉｍｅｃｈ ．ａｃ．ｃｎ）摘要 ： 为 了 准确地 了 解 两相流动过程 中相含率的 变化情况从而实现监测长距离 管道混输 中 的流态转化 、 流董波动 以及压力脉动等 ， 本研究基于实验数据研究 了 垂直管 、 水平管 、倾斜管 中 气体／高黏液体两相 间 歇流动时液相含率的 变化特性 。 研 究结果揭示 了 水平 、 垂直和倾斜管路 中液相含率 的影响 因 素 （ 包括黏度 、 倾斜角 度 、 混合雷诺数和 弗汝德数等 ） 和变 化趋势 。 同 时提 出 了 液相含率预测模型 。 误差分析表明 ， 模 型预测结果与实验测试数据较为 一致 。 该研究对油气混输 中 的安全监控和保障具有重要意义 。关键词 ： 高黏液体 ； 间 歇流动 ； 液相含率 ； 预测模型１ 引 言伴随着非常规资源中稠油 ／超稠油的大幅度开采 ， 原油黏度越来越大 ， 因此对气体／高黏原油两相流动的研宄己成为石油工业中多相流研宄领域的重要内容之一 ［ １ ＿７］ 。 本研宄依据己有文献中的实验数据 ， 综合考虑高黏液相介质和多种管道倾斜角度等对气／高黏液体两相间歇流动时液相含率进行了研宄 ， 同时建立了液相含率预测模型 。２ 实验数据分析研宄 中 ， 主要考虑混合雷诺数和弗汝德数对液相含率的影响 ， 由实验测得数据结合理论推导修正混合雷诺数和弗汝德数 ， 得到新的定义式 ：ＲｅＭ 二ＰｍＶｍＤｆ＾ ｉ－ ９０２ －第二十九届全国水动力学研讨会论文集Ｊ〇ｇｐ ，ＮＦｒ＝ ？（０ ．３ ５ｓ ｉｎ ６＋０ ．５４ ｃｏ ｓ０）ｖｍＪ Ｐｌ￣ Ｐｍ本研究定义的混合雷诺数相对于单相流而言 ， 考虑了 气液两相流特殊的流动特性并呈现出不同于单相流的拓扑空间 ， 同时考虑流动过程中 的两相速度滑移 ， 因此采用混合密度和混合速度 ； 与普遍的两相流混合雷诺数计算模型 比较 ， 混合黏度计算模型众多 ， 且都存在相应的适用条件 。 计算结果和拟合效果显示 ， 针对本文所研宄的 内容 ， 使用液相黏度计算得到的混合雷诺数与液相含率曲线表现 出更直观明显的关系 。针对弗汝德数的定义 ， 考虑两相流动过程中的漂移速度和管道倾斜角度的影响 ， 参考漂移速度的定义模型确定关于角度 的两个三角 函数的权重 。 通过控制来流条件 ， 对垂直管流 、 水平管流 、 倾斜管流数据进行分析 ， 水平管与倾斜管在该条件下混合雷诺数与液相含率关系变化趋势相 同 （ 图 １ ） 。１ ． ００ ． ９０ ． ８０ ． ７０ ． ６－７－０ ． ５＾ ０，０ ． ３０ ． ２０ ． １０ ． ０□ｎ＝ ５８６ｍＰａ＊ ｓ １ ． ０ □－ 〇ｎ＝４０ １ｍＰａ？ ｓ ０ ． ９ ｌＡ〇 ｏＣＭＣ － １ａｎ＝２ １ ３ｍＰａ． ｓ ｏ ａＣＭＣ －２▽｜ｉ＝ １ ２ ７ｍＰａ＊ ｓ ０ ． ８ ？▽Ａ ｖＣＭＣ－３ °－０ ． ７厶ｏ－？°Ａ ０ ． ６ ＇ Ａ０－Ｖ＾ 兒 名Ａ Ｖ Ｘ〇 － ５ ■ ▽ 厶 ’＿Ｏ０ 么ａ Ｏ 厶Ｖ１０ ． ４ ？ ｏ □＇ ０ ． ３ ■－ ０ ． ２ ■－ ０ ． １ ■＿．＿ｉ＿．＿ｉ＿＿．＿ｉ＿．＿ｉ＿＿．＿＿ｉ＿＿．＿＿ ． ｉ＿＿＿ ．＿ ｉ＿ ０ ． ０ ． ． ． １ ０ １ ２ＲｅＭ（ －）１ ４ １ ６１ ８２０ １ ０ ００ １ ００００ １ ００ ００ ０图 １ 垂直 （左 ） 、 水平和倾斜管 （右 ） 中 混合雷诺数与液相含率的关系固定液相表观流速 ， 气液比的变化区间和规律相同 。 图 ２ 显示 ： 同黏度下 ， 随着混合雷诺数增加 ， 液相含率呈下 降趋势 ， 由定义式分析可得 ， 是由混合速度和密度项的差异所导致 ； 随着黏度增加 ， 曲线向右偏移 ， 反映 出黏度 的影响 。－ ９０ ３－第二十九届全国水动力学研讨会论文集０ ．８３ ０ ７工」０１ ２３４５６７８ ０ １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８图 ２ 垂直 、 水平 、 倾斜管 中 弗劳德数与液相含率的关系 （左 ） 以及 角度的影响 （ 右 ）同黏度下 ， 弗汝德数 的倒数增加 ， 即弗汝德数的减小 ， 液相含率减小 ， 由公式定义可确定该结果是混合速度 的影响 ； 不同黏度下 ， 弗汝德数对液相含率的影响不明显 。 垂直管部分与水平管和倾斜管比较 ， 整体液相含率偏小的原因是受到实验中 流型的影响 。 由 图 ３可得 ， 液相 黏度在弗汝德数和液相含率的关系图 中贡献较小 ， 经过文献综述和实验数据分析 ， 发现管道倾斜角度为主要影响因素 。考虑角度的影响时 ， 探讨在不 同角度下液相含率的变化情况 ： 从图 ３ 中可以反映出 ，不 同角度下的关系 曲线非常相近 ， 即角度对于整体 的影响被弱化 ， 也进一步证实弗汝德数定义式的拟合效果较好 ； 随着弗汝德数增加 ， 液相含率减小 ， 且减小速度略有下降 。３ 建立预测模型经过上一章实验数据分析 以及文献调研 ， 可初步确 定液相含率分别与混合雷诺数和 弗汝德数呈幂指数关系 ， 关系公式形式为 ：Ｈｌ＝＾Ｒｅ＾ Ｎ＾－１＾３将该公式进行双对数处理 ， 公式化为 ：＼ｇＨＬ＝ｌｇ？ａ＋ ａ２ ＼ｇＲｅＭ＋ａ３ ｌｇ （ＷＦｒ＿ １）式中 ， ａ２ ，ａ３为待定参数 。 考虑到各参数之间 的协同作用 ， 故采用 同时确定所有参数的方法 。 将方程 由矩阵形式表示 ， 使用 ＭＡＴＬＡＢ 软件进行矩阵运算 ：－ ９ ０４ －第二十九届全国水动力学研讨会论文集＼ＨＬ１］Ｈｕ ＿—１ｉｇ此Ｍ１＆０Ｗ１ ） ．１ｌ ｇ＾ｅＭ２ｌｇ （＾Ｆｒ２ 本＜Ｘ ｌＨＬｎ ．． １ｌｇｉ？ｅＭｎｌｇ ＣＡｆ＾－ １） ． ．＾ ３ ．回归结果如下 ：？ 垂直管 ： 々 ＝ －０ ．１ ３５ ，ａ ２＝０ ．０ ４１ ，ａ３＝－ ０． ２７９？ 液相含率预测公式 ： 队 ＝ ０ ．７Ｓ０ｘｘＷＦｒ （？—ａ２７９）？？ｉ＝０ ． ２９６ ，ａ２＝— ０ ．０４０ ／ａ３＝—０ ． ５４０？ 液相含率预测公式 ： ＝１ ．９７７ｘｉ？ｅＭ＿ａＧ４ＱｘＪＶＦ／＿１） Ｘ卜ａＳ４ Ｇ）？ 倾斜管 ： ＝０ ．３２７ ，ａ２＝－ 〇 ．〇 ５５ ， ａ：３＝—０ ． ５５？ 液相含率预测公式 ： 札 ＝ ２ ．１ ２４ Ｘ／？ｅＭ＿ａ （） ＳＳｘｉＶ仲（〇卜ａ５Ｓ ３）对以上公式进行误差分析 ， 使用 ６ 种统计学参数进行评价上述提出的液相含率预测公式 ， 分别为 ： 平均相对误差 （ ｅｉ ） 、 绝对平均相对误差 （ ｅ２ ） 、 相对误差的标准偏差 （ ｅ３ ） 、平均真实误差 （ｆ４ ） 、 绝对平均真实误差 （ ｅ５ ） 、 真实误差的标准偏差 （ ｅ６） 。 计算公式如下 ：￡ｉ￡２Ｘ１００％ｎＥ？＝ ｉ｜ＨｍＨＬ＾Ｌ ｉ ＼ｘ１０ ０％ｎｅ３＝土 ，！ ００〇／〇）￡４￡５ｎ—１ｎｎ＾＝土 Ｅ？＝ ｉ ［（＾〇 ｉ－ ／／ｕ） ｘ ｌＯＯ％］ ２ｎ—１上述 ６ 个参数从垂直管 、 水平管和倾斜管 ３ 个方面进行计算 。 计算结果见表－ ９ ０５ －第二十九届全国水动力学研讨会论文集表 １ 三种管道实雎液相含率的真实值和公式预测值的统计学参数汇总统计学参数 ｆ  丨 （％） ？ ２ （％） ｅ ３ （％） ￣ （％） ＾ （％） ？ （％）垂直管 － １ ． ８ ３ １ １０ ． １ ０ １ ± １ ３ ． ５ ７９ － １ ．６５４ ５． ４７ ５ 土 ７ ．６５ ９水平管 －０ ．９ ５６ １ １ ． ７ ２９ ± １６ ． ３ ３５ － １ ．４７９ ８． ６８ ５ ± １ ． ４２ ３倾斜管 －３ ．３ ０４ １ ３ ． ９５ ３ ± １ ７． ５８０ ３ ． ０６９ １ ０． ９９ ５ 士 ２－ １２ ２４ 结论研宄了气体／高黏液体两相管流 中不同黏度 、 不同倾斜角度下液相含率的变化特性 ， 并建立了液相含率的预测模型 ， 同时对该模型进行 了误差计算分析 ， 得 出了 以下结论 ： 考虑气体／髙黏液体两相流动的特殊情况 ， 修正现有雷诺数和弗汝德数定义式 。 使用无量纲参数对实验数据进行处理结果表明 ， 混合雷诺数对水平 、 倾斜管中气液两相流动中液相含率的影响较大 ， 而对垂直管 中液相含率影响小 ； 不同管道倾角下弗汝德数与液相含率均呈正相关 。垂直管中弗汝德数对液相含率的影响远大于混合雷诺数的影响 。经回归分析得到垂直 、水平 、 倾斜管中气／高黏液体两相 间歇流动时液相含率的预测公式 ； 误差分析显示 ， 预测结果与实验测得真实值有 良好的一致性 。参 考 文 献Ｉ 许晶 禹 ， 吴应湘 ， 李 东晖 ，等 ． 液相物性对气液两相管流流型和压降影响 的研宄ｍ ． 应用基础与工程科学学报 ， ２００５， １３ （２） ：１ １ １ － １ １ ９．２ 许晶 禹 ， 吴应湘 ， 李东 晖 ． 液相介质对水平气液间歇流动的压 降影响 ［Ｊ］ ． 过程工程学报 ， ２００６，６ （２ ） ：１６ １ －１ ６６．３ 罗小 明 ， 何利 民 ， 吕 宇玲 ． 水平管段塞流持液率 的波动特性ｍ ． 髙校化学工程学报 ， ２００９，２３（４）：７ １ ９－７２３ ．４ 刘文红， 郭烈锦 ， 张西 民 ，等 ？ 水平直圆管 内油气两相流的压降 ［Ｊ ］ ． 化工学报 ， ２００４ ，５５ （６） ：９０７ －９ １ ２ ．５ＸＵ Ｊ，ＷＵＹ，Ｓｈｉ Ｚ ， ｅｔ ａｌ ． Ｓｔｕｄ ｉｅｓ ｏｎ Ｔｗｏ－ＰｈａｓｅＣｏ－Ｃｘ ｉｒｒｅｎ ｔＡｉｒ／Ｎｏｎ－ＮｅｗｔｏｎｉａｎＳｈｅａｒ－Ｔｈｉｎｎｉｎｇ ＦｌｕｉｄＦｌｏｗｓｉｎＩｎｃｌ ｉｎｅｄ ＳｍｏｏｔｈＰ ｉｐｅｓ ［Ｊ ］ ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉ ｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＭｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ，２００７ ， ３ ３（９ ） ： ９４８－９６９ ．６Ａｌ－Ｒｕｈａｉｍａｎｉ Ｆ，Ｐｅｒｅｙｒａ Ｅ ，ＳａｒｉｃａＣ，ｅｔａｌ ．Ｐｒｅｄｉｃｔ ｉｏｎｏｆＳｌｕｇ －ＬｉｑｕｉｄＨｏｌｄｕｐｆｏｒＨｉｇｈ －Ｖｉ ｓｃｏｓｉ ｔｙＯｉ ｌｓｉｎＵｐｗａｒｄＧａｓ／ＬｉｑｕｉｄＶｅｒｔ ｉｃａｌ－ＰｉｐｅＦｌｏｗｆＪ］ ．ＳｐｅＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ＆Ｏｐｅｒａｔ ｉｏｎｓ ，２０ １ ７ ．７Ｍａ ｔｓｕｂａｒａＨ ，Ｎａｉ ｔｏ Ｋ ．ＥｆｆｅｃｔｏｆＬｉｑｕｉｄＶｉ ｓｃｏｓｉ ｔｙｏｎＦｌｏｗＰａｔｔｅｒｎｓ ｏｆＧａｓ－ＬｉｑｕｉｄＴｗｏ －ＰｈａｓｅＦｌｏｗｉｎＡＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＰｉｐｅ［Ｊ］ ． ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆ ＭｕｌｔｉｐｈａｓｅＦ ｌｏｗ，２ ０ １ １ ， ３ ７（ １０） ： １２７７ － １２８ １ ．－ ９０６ －第二十九届全 国水动力学研讨会论文集Ｓｔｕｄｉｅｓｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｉｑｕｉｄｈｏｌｄｕｐｄｕｒｉｎｇｇａｓ／ｈ ｉｇｈｖｉｓｃｏｓｉｔｙｌｉｑｕｉｄｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｆｌｏｗＨＯＵＬ ｉｎ－ｔｏｎｇ １ ＊２ ，ＸＵ Ｊｉｎｇ－ｙｕ １ ，２（ｉｎｓ ｔｉ ｔｕ ｔｅｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊ ｉｎｇ１ ００ １９０， Ｃｈｉｎａ２Ｓｃｈｏｏ ｌｏｆ Ｅｎｇ ｉｎｅｅ ｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅｓ ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆ ＣｈｉｎｅｓｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９ ，Ｃｈ ｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｕｎｄｅｒｓｔａｎｄ ｔｈｅｖａｒｉａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｉｑｕｉｄｈｏ ｌｄｕｐｄｕｒｉｎｇｇａｓ／ｈｉｇｈｖ ｉｓ ｃｏｓｉｔｙｌｉｑｕｉｄｔｗｏ －ｐｈａｓｅｆｌｏｗａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，ｔｈｕｓｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｔｈｅｆｌｏｗｒｅｇｉｍｅ ， ｔｈｅｆｌｕｘａｎｄｔｈｅｐｕｌｓｉｎｇｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｍｉｘｉｎｇｔｒａｎｓｐｏ ｒｔａｔ ｉｏｎｉｎｔｈｅｐｉｐｅ ．Ａｎｓｔｕｄｙｈａｓｂｅｅｎｄｏｎｅｏｎｖａｒｉ ａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌ ｉｑｕｉｄｈｏｌｄｕｐｄｕｒｉｎｇｇａｓ／ｈｉｇｈｖ ｉｓｃｏｓｉｔｙｌ 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气体/高黏液体两相间歇流动时液相含率的变化特性研究

http://dspace.imech.ac.cn/bitstream/311007/78575/1/IrCp2018041.pdf

气体/高黏液体两相间歇流动时液相含率的变化特性研究

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