气体非牛顿流体两相流动.docx

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气体非牛顿流体两相流动

气体非牛顿流体两相流动

气体/非牛顿流体两相流动

与气/水两相流动阻力特性的比较

劳力云吴应湘郑之初李东晖石在虹

（中国科学院力学研究所应用流体力学研究室）

提要本文基于常用的均相流动模型～主要针对油/气/水混输管道中经常遇到的气体

/幂律液体水平管道两相流动～对其阻力特性进行了阐述～其中包括流动基本模型和方程、

常用的经验估算方法等方面～将它与气/水两相流动中对应的有关问题进行了比较。

SummaryInthispaper,thepressurelosscharacteristicsofthegasandpower-lawliquidtwo-phaseflowthatwasoftenmetwithinoil/gas/waterconcurrent

--oneofthetransportationpipelinewerepresented.Basedthehomogeneousmodelfrequentlyadaptedmodels,theissuesoffundamentalmodelandequationsoftheflowandtheestimationmethodsofpressurelosseswereincluded.Theseresultswerealsocomparedwiththecorrespondentsrelatedtogas/watertwo-phaseflows.

关键词均相模型气液两相流非牛顿流体

Keywordshomogeneousmodel,gas/liquidtwo-phaseflow,non-Newtonianfluid

1引言

在海洋石油资源开发中，油气混输正在成为一种越来越重要的油气输运手段。

为了了解

油气混输管道中的能耗，进行混输管线与增压系统的合理设计，在油气混输过程中对油、气、

水等介质进行有效准确的计量，以及对整个混输系统的运行状态进行监控等等，需要深入了

解油气混输管道的流动阻力特性。

另一方面，油气混输问题实际上属于气液两相流动中的气

体/非牛顿液体的流动问题。

而目前在国内外，气液两相流研究主要集中于对气体/牛顿液体

（尤其是气/水两相流）的流动特性上，对于气体/非牛顿液体流动问题的研究相对较少，尚

无比较成熟的结果。

因此，对气体/非牛顿液体的流动阻力特性进行研究，不但具有重要的

工程价值，也具有较大的学术意义。

实际测试结果表明，我国油田所生产的原油，在常温输送时，其流变特性表现为幂率流

ndu,,,K,,,,dr[1，2],,体的特性——流动剪应力与剪应变呈现为幂率关系（对于管流即）。

其主

edgesshouldbecleaned,aftermakingsurethatnodefectshallbemarkedwithamarkerpentowritedownweldingneartheweld,includingthesloganofwelding,welders,etc.（16）weldingQianPreheatandtheweldingHouheattreatmentpipeweldingQianPreheatandtheweldingHouheattreatmentprocessconditionsweldingQianPreheatandtheweldingHouheattreatmenttemperaturetableprojectmaterialweldingQianpreheattemperature（?

）weldingHouheattreatmentandtheinsulationtime（?

/H）wallthick（mm）temperature（?

）wallthick（mm）temperature（?

）20?

26100~200>36600~650/1-1.515CrMo?

10150~200>10670~700/1.2-2Preheatandtheheattreatmentprocessinthe,Innerandouterwalltemperatureshallbekeptuniform,inordertoavoidinternalstresses.Preheatingbeforeweldingandpostweldheattreatment,shallmeasureandrecordthetemperature,temperaturemeasurementlocationsandnumberofpointsarereasonable.Pronetowelddelayedcrackofsteel,postweldheattreatmentafterweldingshouldbecarriedoutpromptly,whennotconductingtimelypostweldheattreatment,shouldbeuniformlyheatedto200~300?

immediatelyafterweldingandinsulationandslowcooling,...26mmmorethan20steelpipeweldingpreheatingbeforeweldingshouldbecarriedout,36mmtheaboveheattreatmentafterweldingshouldbedone.Beforeweldingandheattreatmentusedoxyacetyleneflameheating,heattreatmentafterweldingusingspecialheattreatmentafterweldingequipment.Hardnessafterheattreatmentofweldsneededtesting.6.5.4sidesofthedissimilarsteelweldingwhenwerenon-austeniticsteelorausteniticsteel,alloycontentaccordingtoloweronesideofthebasemetalorselectingweldingmaterialinbetween.Whenoneofthesidesofmaterialwhenausteniticsteels,shouldselectthe

要的参数为稠度系数K和幂率指数n。

本文中的非牛顿液体即指这一类流体。

下面根据两相流的均相流动模型和基本方程，针对油/气/水混输管道中经常遇到的气体/幂律液体水平两相流动的阻力特性进行了阐述，并讨论了对摩擦系数的经验估算方法，将它与气/水两相流动中对应的有关问题进行了比较。

2均相流动模型

在某些两相流态中，如果一相均匀地弥散在另一相中，两相间的动量传递和能量传递足够快，两相的局部平均速度和温度就基本相同。

此时，可以应用均相模型对两相流的流动特性进行研究。

均相模型的基本思路是用一等效可压缩流体代替两相流体。

一般，在研究气泡流、雾状流等流态下的流动特性时，常采用均相流模型。

均相模型的基本假设为:

u,u,uLHG

（1）

（1）气液两相具有相同的线速度，即（式中u表示介质线速度，

下标G,L和H分别表示气相、液相和均相，下同）;

（2）

（2）两相间处于热平衡状态。

对于两相管流，设其轴线方向为z，根据连续性、动量守恒和能量守恒原理以及上述假设，可以得到:

ddu1dAHHu，,，,u,0HHHHdzdzAdz

（1）

Pdvdp2rH,,,，G，,gsin,H0dzAdz

（2）

dvdpdF2H,,,，G，,gsin,HHdzdzdz（3）

,0上列式中，为介质密度，A为流道截面积，p为管道中的压力，P为流道周长，为管r

1v,G,,u,HH道壁面剪应力，为质量流速，为介质比容，g为重力加速度，,为管道轴线的倾角，F为管道中摩擦力所引起的能量损失。

比较

（2）、（3）两式，易知由摩擦力引起的管道压降

2,,dp4f,uFPdFTPHH,,r,,,,,,,,H0dz2D,,dzAe（4）式中f两相摩擦系数，D为两相流动水力直径。

TPe

,dpFP,,r,,,,,0dz,,A实际上，

（2）式反映了这样一个事实，管道的总压降由管道摩擦压降、edgesshouldbecleaned,aftermakingsurethatnodefectshallbemarkedwithamarkerpentowritedownweldingneartheweld,includingthesloganofwelding,welders,etc.（16）weldingQianPreheatandtheweldingHouheattreatmentpipeweldingQianPreheatandtheweldingHouheattreatmentprocessconditionsweldingQianPreheatandtheweldingHouheattreatmenttemperaturetableprojectmaterialweldingQianpreheattemperature（?

）weldingHouheattreatmentandtheinsulationtime（?

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）wallthick（mm）temperature（?

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immediatelyafterweldingandinsulationandslowcooling,...26mmmorethan20steelpipeweldingpreheatingbeforeweldingshouldbecarriedout,36mmtheaboveheattreatmentafterweldingshouldbedone.Beforeweldingandheattreatmentusedoxyacetyleneflameheating,heattreatmentafterweldingusingspecialheattreatmentafterweldingequipment.Hardnessafterheattreatmentofweldsneededtesting.6.5.4sidesofthedissimilarsteelweldingwhenwerenon-austeniticsteelorausteniticsteel,alloycontentaccordingtoloweronesideofthebasemetalorselectingweldingmaterialinbetween.Whenoneofthesidesofmaterialwhenausteniticsteels,shouldselectthe

,,,dpdpFAdv2,,H,,,,,,G,,,,dzdz,gsin,,,,,dzH管道加速压降和管道重力压降三部分构成的。

流体的流变特性不影响其中的加速压降和重力压降，但将通过影响两相摩擦系数而直接影响

摩擦压降。

3气/水两相流的摩擦系数计算

均相模型在本质上将两相流动视为单相流动，其摩擦系数的确定方法与单相流动类似。

在单相流动的摩擦阻力计算中，摩擦系数f与流体介质动力粘度,的关系比较简单，主要决

GDRe,,定于流动的Reynolds数（式中D为单相流动的水力直径）。

当Re低于2000时（层

流），摩擦系数为

f,16/Re（5）

当Re高于2000时（湍流），则应用Blasius公式:

0.25f,0.079，，Re（6）

[3]对于气体/牛顿液体的气液两相流，常采用以下三种方法计算粘度:

（1）取两相粘度为单相粘度。

当含气率较低时，取两相粘度为液相粘度

,,TPL（7）

当含液率较低时，取两相粘度为气相粘度

,,TPL（8）

（2）低浓度悬浮小球粘度计算式。

对于空隙率,低于0.05的气泡流，取两相粘度为

,,（1，,）TPL（9）

（3）经验拟合关系式。

常用下列几种

1x1,x,，,,,TPGLMcAdams:

（10）

,,（1,x），,xTPLGCicchitti:

（11）

,,（1,,），,,TPLGDukler:

（12）上列式中，x为质量含气率（干度），,为体积含气率。

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4气体/幂率流体流动的摩擦系数计算

对于气体/幂率流体两相流，在进行摩擦系数的计算时，其基本思路类似于气/牛顿液体，

但是应根据液相的流变特性进行必要的修正。

[4]幂率液相的Renoalds数可以采用下式计算:

n2,n,DuLLRe,Ln3n，1,,n,18K,,4n,,（13）

（Re）c其临界Renoalds数也与幂率指数有关:

610（2n，1）（3n，2）（4n，3）（Re）,c3（3n，1）（14）

在气相层流、气相紊流和液相层流时，可以参照牛顿流体的Blasius公式计算单相状态摩擦

系数;对于液相紊流时，则采用修正的Blasius公式计算液相摩擦系数:

af,Lb，，ReL（15）

0.133,0.217a,0.3164n,b,0.25n其中。

f,f（1,x），fxTPLG获得气、液两相的摩擦系数后，可以根据计算出两相流摩

擦系数f。

而实际的均相摩擦系数还应进行修正。

文献[2]根据三种管径的泡状流提出以下TP

的修正公式:

Bˆf,AfTPTP（16）

参数A、B仅与幂率指数有关，

2.0255A,0.3804n（17）

0.8448B,0.8911n（18）

需要指出，上述计算中，涉及介质的速度时应取介质的表观速度。

5结论

在气体/幂率液体两相流各种流态中，气泡流和雾状流流态表现出较好的介质均布性，

如各参数沿流道的变化率不大，可以采用均相流模型。

对于流动阻力中的重力分量和加速分

量，可以通过管道尺寸以及流动工况进行直接计算;对于流动摩擦阻力，需要根据实际数据

回归出经验关系进行估算。

与气/水两相流相比较，需要进一步考虑液相引起流动摩擦系数

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）weldingHouheattreatmentandtheinsulationtime（?

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26100~200>36600~650/1-1.515CrMo?

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