傾斜管內兩相流流型的實驗研究

韓洪升，張雪，徐學考, 史雨夕

傾斜管內兩相流流型的實驗研究

韓洪升1，張雪1，徐學考2, 史雨夕1

（1. 東北石油大學 石油工程學院， 黑龍江 大慶 163318； 2. 中國石油天然氣管道局國際事業部伊拉克公司，河北 廊坊 065000）

為了進一步了解傾斜向上管傾角對管內空氣和水二相流流型轉變的影響。本實驗在兩相流實驗室進行，記錄和總結實驗數據，進而獲得流型圖。分析了空氣-水形成兩相流通過管長8 m，有機玻璃直徑20 mm，分別將管傾斜5°，15°和25°，所得的數據采集。通過在相同管徑條件下的傾斜管在不同傾斜角下流型出現的區域對比，得到管的傾斜角度對流型變化的影響。

兩相流；流型轉變；空氣-水兩相流

隨著石油開發的地域的轉變，油氣的混合輸送技術被石油工業迫切的需要。多項流技術為油氣混輸提供技術上的支持。但是理論并不完善。氣液兩相流包括三個方面：氣相，液相和氣液液面[1,2]。近年來，對于氣液兩相流的研究大多是圍繞水平管，但是現實中，在石油開采和輸送的過程必然會出現管道傾斜的現象，所以要求研究者們眼光的轉變，使兩相流的成果更加符合實際的需要。在國外，D.barnea和Weisman&Kangl等人已經做出了一定的成果。但是，國內的相關課題卻稍少[3]。鑒于以上等原因，本文進行了此方面的相關研究。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置及流程

本實驗的實驗裝置如圖1所示。在實驗過程中，首先選擇管徑20 mm的試驗管路，把管的傾斜角調整為5°，開啟離心泵向管路中注入大量的液體水，直到管道中的液體流量達到穩定。在開啟空氣壓縮機，將壓力系統的壓力保持在0～0.5范圍內，向管道中供入空氣，隨時準備調節控制閥調整氣體的流量，觀察管內氣液的流型變化。如若達到穩定狀態，立刻記錄實驗數據。在測定流型的過渡時要特別注意，多次反復的測量并記錄結果。改變玻璃管傾斜的角度，分別為5°，15°和25°。完成以上的測量。最后關閉空氣壓縮機，水泵電源，放空管道中的水，完成結束實驗，觀察電腦中的記錄，總結整理數據。

圖 1 多相流實驗裝置圖Fig.1 Multiphase flow experimental device

2 實驗的流型轉變機理

由于傾斜上升的兩相流中的波狀流占得區域很小，而且時間短暫，所以不考慮環狀流向彈狀流的轉變。當環狀流這種穩定流型遭到破壞時，環狀流開始向彈狀流改變，這是因為環狀流穩定時，如緩慢減小氣相的流速，其液膜上的小波波動幅度逐漸的增大，當達到氣相速度的臨界值時候，變大的波幅會將液膜聯接，從而形成彈狀流。研究得出，臨界截面含氣率為0.75[4]。

3 結果分析

根據實驗觀察的流型和試驗數據，可以得到傾角5°，15°，25°的流型圖(圖2)。

式中：JW— 液相折算速度；

Jg— 氣相折算速度：

QW— 液相真實流量；

Qg— 氣相真實流量；

A— 管的橫截面積。

將Jg為縱坐標，Jg為縱坐標，繪制流型圖。

圖2 不同條件下的流型圖Fig.2 The flow pattern under different conditions

根據上面得到的流型圖，為了可以更加直觀的觀察，再次擬合出流型的過渡區域中心線，進而細致觀測管傾斜角度對流型的影響(圖3)。

圖3 不同傾角的流型轉變對比Fig.3 The flow regime transition at different angle

3.1 氣泡流向彈狀流的過渡

由圖3可以得知，從上而下，左到右分別為5°，15°和25°。管的傾斜角度的三個變化，氣泡流轉變為彈狀流的界限依然是稍微上升。若界限往下面移，即是流型轉變的Jg減小。

彈狀流若要向波狀流過渡，它的液橋必須斷掉，那么所需的Jg應更大。原因是若從彈狀流向波狀流變化前的液橋厚度是固定值[5]，則傾斜角加大，液體受到的重力分力作用在氣體越大。角度加大，氣體受到的重力分力也越大，阻力越大。

3.2 波狀流向環狀流過渡

由圖3可知，管的傾斜角變大，流型轉變的界限向右移，即是傾斜角越大，Jg變小。出現的原因是若傾斜角變大，Jg越小，波狀流往環狀流過渡時，液面被施壓，順著管壁斜上移動，繞管子漸變為環狀流動。

3.3 彈狀流向環狀流的過渡

由圖3得知，彈狀流向環狀流的過渡范圍變大。當傾斜角變大時，液體在重力作用下的分力下，液橋受壓迫變薄，容易被氣體沖破。重力的徑向分力作用在液體上變小，液橋斷開，上面液體變為液膜，很不容易脫落，界限左邊所需的Jg越來越小。當傾角逐漸變大，轉變界限右移，是因為傾斜角變大，所需Jg越大，氣體沖擊變大，液體的波動加大，形成液橋阻礙氣相運動，因而需要更大的Jg保持環狀流型。

4 結 論

本文是觀察兩相空氣和水流動在三種角度管內流型。通過多次試驗和多次數據的整理，對流型變化進行了繪制，結合原理，得出以下結論：

① 據試驗臺玻璃管中，可知傾斜管中流型的幾種變化。

②由流型變化有：（1）氣泡流向彈狀流過渡Jg變小;（2）彈狀流向環狀流區域Jg變大；（3）彈狀流向環狀流變大；（4）波狀流向環狀流轉變Jg減小。

［1］張金紅. 氣液兩相流流型實驗研究[D]. 哈爾濱工程大學，2005.

［2］曹夏聽，閻昌琪. 傾斜管內氣液兩相流流型的實驗研究[J]. 核動力工程，2005，26(6): 577-580.

［3］康萬利，潘攀. 不同傾角管中油水兩相流研究進展[J]. 油氣儲運，2005，24(9): 1-5.

［4］許晶禹，吳應湘，李東暉. 液相物性對氣液兩相管流流型和壓降影響的研究[J]. 應用基礎與工程科學學報，2005，13(2):111-119.

［5］李文慶. 氣液兩相段塞流流動機理的實驗研究[D]. 大慶石油學院，2008.

Experimental Study on the Flow Pattern of Two-phase Flow in Inclined Pipe

HAN Hong-sheng1，ZHANG Xue1，XV Xue-kao2,SHI Yu-xi1
（1. College of Petroleum Engineering, Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318, China；2. China Petroleum Pipeline Bureau International Business Department Iraqi Corporation, Hebei Langfang 065000, China)

In order to further understand effect of the angle on the transition of flow pattern of air-water two-phase flow in tube, the experiment was carried out in two phase flow laboratory, the experimental data were recorded and summarized, and then the flow pattern map was obtained. The data of the air-water two-phase flow in the organic glass tube with 8 m length and 20 mm diameter at different inclination angles of 5°, 15° and 25° were analyzed, respectively. At last, effect of the inclination angle on the flow pattern change was obtained.

Two-phase flow; Flow pattern change; Air-water two-phase flow

TQ 028

： A

： 1671-0460（2015）04-0709-02

2014-07-18

韓洪升（1950-），男，黑龍江大慶人，教授，博士，東北石油大學畢業，研究方向：多相管流及數值模擬。