13水平油气两相流流型转换及其相界面特性的研究(3)

（１）使用同一条管线将油气直接从深海输送至海岸的油气混输技术，可以减少油气田开采初期在海上架设平台和在海底铺设输油管线的巨额投资；

（２）比采用分输方式减少一条管道的建设工程量。据测算，长距离混输技术的应用可以使油田的开发费用减少１０％～４０％，而且可以缩短工期，使油田开发速度加快；

（３）可以使在分输工艺条件下不具备开采价值的一些边际油田获得经济有效的开发。如处于深水区域的小区块油田，沙漠腹地的零散区块油田，一般陆地油田外围的边缘区块油田等。

因此单管油气混输方案已为国际上许多石油公司所关注，并注入大量的资金第ｌ页

第一章绪论

进行研究开发。我国也已将混输技术的研究纳入国家８６３计划，中国石油天然气集团公司将混输技术研究纳入其九五重点科技攻关项目，多相混输技术研究正日益受到广泛重视Ⅲ３１。

多相混输的关键在于对混输管线内油气流动特性及规律的了解，这是一个典型的气液两相流动问题。对油气两相流动动态特性的研究是近年来国内外十分活跃的前沿课题之一。它对流动和传热的不稳定性、波动、换热设备的设计、安全运行和在线检测都具有十分重要的科学价值和实用意义。由于两相相界面的随机变化，所引发的流型变化特征与各相物性、流量、流动参数及管道几何形状等许多因素密切相关，这阻碍了对问题的深入研究。特别是当流型发生转换时，各种动力学参数、模型准则以及流动换热特性都会发生明显的变化，从而对于管线设计和理论模型在工程中的应用带来困难。此外，在油气两相流动的实验研究中，各种不同类型的两相流介质的配置，物性参数的测试，系统各重要流动参数的测量，实验数据的处理等，都和单相流动有显著不同，需要进行更加深入的研究。１．２国内外研究概况

气液两相流动是一种十分复杂的流动现象，系统内最重要的特征是两相结构及分布上的不均匀性与状态的非平衡性和多值性，且各相间存在可变形相界面。相界面及其所引发的特征与各相的物性、流量、流动参数、管道几何形状及几何位置等诸多因素密切相关，给系统的深入研究带来了很多困难［４１‘［９１。早期的大多数研究者只关心能否得到计算压力降或推算热流密度的实用关联式，而不考虑管内流体的流动形态。近二十年的研究工作表明，考虑不同的流型分布，理论预测和计算能更准确地反映两相流的流动本质，从而获得更精确的结果【ｌ０１。

相分布（即流型）是多相流流动特性以及传热特性研究的基础，不同的流型具有其独特的流动以及传热特性。管道中流型的变化往往引发流阻的改变、流动的稳定性、传热以及压降等特性的变化。工程上的油气混输系统，由于受流量、介质物性、管道形式以及倾斜角度等因素影响，管道截面含气率发生变化，导致管内出现各种流型。工程上对许多多相流系统事故进行分析时，常常发现是由于流型的不明确造成误算或误操作。因此，对流型特性，尤其是段塞流特性，进行准确分析以及流型识别至关重要，这对选用流阻计算公式、稳定性判据、、传热以及压降计算公式都具有极为重要的实用意义［１１１－［１４Ｊ。

１．２．１油气两相流流型及流型图研究概况

气液两相流在各种流量组合下表现出不同的流型。每一种流型有其特定的两相分布和界面形状。当一种流型向另一种流型转化时，气液界面形状发生了变化。由于两相流动的复杂性，两相流动的机理至今没有为人们所完全认识，因此流型的区分，流动状态的描述以及流型的识别一直是两相流研究的主题。上个世纪末，第２页

上海交通大学博士学位论文

ＬｅｖｙＥｌ５１（１９９９）的著作对各种管道倾角下的流型进行了总结，并且对现今两相流研究的复杂性、其中存在的问题和各种研究学派的异同作了总结。对于水平气液两相流，根据（Ｍａｎｄｈａｎｅｅｔａ／．［１６］（１９７４）；Ｔａｉｔｅｌ和Ｄ瑚ｅｒｔｍ（１９７６）；Ｂａｍｅａ［１８】（１９８７）；Ｐｅｔａｌａｓ＆ＡｚｉｚＬｌ训（１９９８））的实验观察，典型的流型包括（图１．１）：

（１）分散泡状流（Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ．Ｂｕｂｂｌｅｆｌｏｗ）

当液相流量较高，在一个很宽的流量范围内，细小的气泡分布于连续的液相中。由于浮力作用这些气泡基本上集中在管道的上半部分。

（２）延长泡状流（ＥｌｏｎｇａｔｅｄＢｕｂｂｌｅＦｌｏｗ）

在分散泡状流的基础上，随着气相表观速度的增大，在气液界面会掀起扰动的波浪，管道上部的小气泡在界面波的作用下合并，并逐渐增大延长，发展成更大的气泡，且在大气泡尾部仍有许多小气泡跟随，这种流型为延长泡状流。（３）分层流（Ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄｆｌｏｗ）。．

当气液两相流量都较低时，重力作用引起气液两相分隔流动，即液相位于管道的下半部分，而气相沿管道上半部分流动。气液两相界面是光滑的。如果气速上升，界面剪切应力增加，气液界面变得如鹅卵石路面般的凹凸不平，进而出现波状界面。

（４）段塞流（Ｓｌｕｇｆｌｏｗ）

当气相和液相的流量进一步增加，液层进一步升高。气液界面波逐渐密集，直至最终管道被液相堵塞。堵塞管道的液相部分称为液塞，液塞被流速较快的气流加速，冲击管壁并且沿着流动方向从流速较慢的液层铲起一部分液体。段塞体单元包括液塞体和其末端的延长气泡和气泡下部的液层。这样延长气泡和液塞交替出现沿着管线向下游游动。

（５）环状流（Ａｎｎｕｌａｒｆｌｏｗ）

液相呈环膜状沿管壁向前流动，高速气流中心夹带细小液滴。由于重力作用，液膜沿管壁周向分布不均匀，管道的下半部分的液膜要厚于上半部分。

文献中还报道了其他不同的流型。增加新的流型定义是对流型的进一步细化并且能更加深入地反映流型的特征。例如，图１．１所示的波状分层流（ｓｔｒａｔｉｆｉｅｄ－ｗａｖｙｆｌｏｗ）和波形环状流（ａｎｎｕｌａｒ－ｗａｖｙｆｌｏｗ）体现了两种基本流型气液界面上存在的波动。类似地，塞状流（ｐｌｕｇｆｌｏｗ）和半环状流（ｓｅｍｉ．ａｎｎｕｌａｒｆｌｏｗ）就是用于描述流型转换（泡状流和段塞流的转换、塞状流和环状流的转换）时的中间流型。这些流型可以视为特定流型的子流型。本文油气两相流实验观察到四种主要流型，即泡状流（分散、延长），段塞流，分层流（光滑、波状）和环状流。第３页