水管內汽液兩相流壓降計算研究

陳敏

摘 要：針對汽液兩相流流型復雜、機理研究不成熟等特點，篩選了均相法、Dukler法和Beggs-Brill法三種方法計算兩相流壓降，并結合現場實例，在給定熱強度條件下，利用軟件對水管內汽液兩相流流動過程進行模擬和分析，三種方法計算結果表明，均相法計算壓降最大，Dukler法次之，Beggs-Brill法最小。

關鍵詞：汽液；兩相流；壓降；計算

中圖分類號：TQ021 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）05-0251-02

0 引言

汽液兩相流是石油化工設備中常見的工況，對汽液兩相流的研究遠不及單相流成熟，形成的理論只是一定范圍內的經驗式或半經驗式。

汽液兩相流動的主要理論模型[1]有兩類：均質流動模型和分離流動模型。汽液兩相流壓降是兩相流研究的一項重要內容，兩相流壓降的計算比單相流復雜，兩相流相界面具有不均勻性使得單相流動壓力降的計算方法不能直接用于存在相變化的過程。

由于汽液兩相流動不單受流速變化的影響，而且隨著汽液兩相比例的變化，會出現多種流型，不同的流型對壓降的影響不同，主要是由于在流動中汽液間有相對運動，流型不同所產生的相對運動程度不同，因而產生的滯流量也不同。滯流量相當于有一部分液體停留在管路中，占據了一部分管路的截面積，相應改變了汽液相流速，對壓降的影響較大。為了計算汽液兩相流的摩擦壓降，需要有劃分流型的圖或關聯式，從而建立起滯留量與壓降計算的關聯式。兩相流動中壓降計算方法，根據各人不同的實驗條件，已發表的經驗關聯式約有30余種。

1 兩相流壓降計算方法

由于汽液兩相流系統本身復雜，至今兩相流動過程的基本機理仍然不清晰，所提供的計算方法均屬經驗關聯式或半經驗關聯式，應用上有較大的局限性。而且，兩相流動過程中由于位置不同（水平、垂直或傾斜）其流動特性也有較大差別，提供的計算方法也不完全相同。通過對公開發表的模型精度篩選、考察，使用均相法、Dukler法和Beggs-Brill法三種方法計算兩相流壓降。均相法把汽液兩相作為單相處理，Dukler法考慮了汽液兩相之間的相對運動，既適用于水平管，又適用于垂直管，準確性也比較好，在煉油工業應用較廣；Beggs-Brill法考慮了持液量的影響，計算也比較簡單，對水平管和垂直管均適用。

1.1 均相法

均相法是將兩相流當作單相流的計算方法，即假設汽液兩相之間不存在相對運動，忽略滯留量對壓降的影響。根據這些假設，均相法可以采用范寧公式計算摩擦壓力降，流速、密度和粘度均采用汽液兩相的混合流速、混合密度和混合粘度。對于高氣速的霧狀流和高液速的分散氣泡流，均相法的計算誤差比較小，但是對于其他流型，均相法只能作為一種初步的估算。

1.2 Dukler法

Dukler法是在大量的實驗數據的基礎上，通過相似分析法得出摩擦壓降的關聯式，其中持液量的求取方法采用Hughmark法。該方法的計算過程比較簡單，適用范圍比較廣，既適用于水平管，又適用于垂直管，而且準確性也比較高。

1.3 Beggs-Brill法

雖然均相法和Dukler法的應用比較多，但是Masud Behnia通過對幾種常用的關聯式計算結果與兩相流管內壓降實測值的比較發現，Beggs-Brills關聯式的平均誤差最小[2]，Dukler關聯式居第二位[3]。

2 壓降計算結果及分析

2.1 基礎數據

布置6根水管，其中前三根水管規格為φ42×5×15000，后三根水管擴徑，爐管規格為φ48×5×15000，軟件使用逐段計算法，將每根水管分5節計算，水管粗糙度為0.5mm，水管出口彎頭當量長Lef/di取值為100，管間距S/do為2；工藝條件：水流量為200kg/h，入口溫度為170℃，壓力2.0MPa，詳細參數見表1。

2.2 計算結果

指定水管平均表面熱強度，根據表1中給定的已知結構和工藝數據，分別使用均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三種方法計算水管壓降。

2.2.1 實例1

指定水管汽化段平均表面熱強度為10kW/m2，氣體段表面熱強度為1kW/m2作為已知條件，利用軟件對水管內汽液兩相流流動過程進行模擬，三種壓降計算方法結果匯總參見表2。

200kg/h，170℃，2.0MPa的水進入水管后，水管出口計算結果為：

（1）使用均相法計算得到的出口壓力為1.99135MPa，水管進出口總壓降為0.00865MPa；（2）采用Dukler法計算得到的出口壓力為1.99139MPa，水管進出口總壓降為0.00861MPa；（3）通過Beggs-Brill法計算得到的出口壓力為1.99495MPa，水管進出口總壓降為0.00505MPa。

均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三種方法計算壓力結果沿水管長度變化的詳細結果參見表3。

2.2.2 實例2

指定水管汽化段爐管表面熱強度為30kW/m2，氣體段爐管表面熱強度為3kW/m2作為已知條件，利用軟件對水管內汽液兩相流流動過程進行模擬，三種壓降計算方法結果匯總參見表4。

溫度170℃，壓力為2.0MPa，流量200kg/h的水進入水管后，出口壓力及爐管壓降結果為：

（1）使用均相法計算得到的出口壓力為1.9789MPa，水管進出口總壓降為0.0211MPa；（2）采用Dukler法計算得到的出口壓力為1.9872MPa，水管進出口總壓降為0.01281MPa；（3）通過Beggs-Brill法計算得到的出口壓力為1.9895MPa，水管進出口總壓降為0.0105MPa。

均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三種方法計算壓力結果沿水管長度變化的詳細結果參見表5。

2.3 結果分析

實例1和實例2計算結果均表明：均相法計算得到的壓力降低的最快，壓降最大，Dukler法次之，Beggs-Brill法最小。

分析認為，在相同條件下均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三種壓降計算方法得到的壓降不同，主要是由于計算模型的假設不同：

（1）均相法把汽液兩相作為單相處理，壓降計算公式中的密度、粘度等物性參數采用汽液兩相的混合性質，沒有考慮汽液兩相的相對運動和滯留量對壓降的影響，作為單相處理的壓降計算結果與實際兩相流壓降誤差相對較大。（2）Dukler法既考慮了汽液兩相間相對運動，又考慮了滯留量影響。（3）Beggs-Brill法考慮了滯留量對壓降的影響。

3 結語

（1）針對汽液兩相流特點，篩選了均相法、Dukler法和Beggs-Brill法三種方法計算兩相流壓降。（2）在給定熱強度條件下，利用軟件對水管內汽液兩相流流動過程進行模擬和分析，分別使用均相法、Dukler法、Beggs-Brill法計算壓降，并對結果做對比分析，結果表明，均相法求得的壓降最大，Dukler法次之，Beggs-Brill法最小。（3）鑒于汽液兩相流的一些機理還不是很清楚，提供的三種壓降計算方法都是一定范圍內的經驗關聯式，具體哪種方法更接近實際，還需要更深入的考察和研究。

參考文獻

[1] 黃鴻鼎，馮亞云.兩相流動中的壓強降計算[J].化學工程，1982：42-43.

[2] Beggs H D，Brill J P. A Study of Two-Phase Flow in Inclined Pipes JPT. Multiphase Flow，1973，5（3）：607-617.

[3] Behnia M. Most accurate two-phase pressure-drop correlation identified. Oil & Gas Journal，1991，12（4）：90-95.