倾斜管内两相流流型的实验研究

韩洪升，张雪，徐学考, 史雨夕

倾斜管内两相流流型的实验研究

韩洪升1，张雪1，徐学考2, 史雨夕1

（1. 东北石油大学 石油工程学院， 黑龙江 大庆 163318； 2. 中国石油天然气管道局国际事业部伊拉克公司，河北 廊坊 065000）

为了进一步了解倾斜向上管倾角对管内空气和水二相流流型转变的影响。本实验在两相流实验室进行，记录和总结实验数据，进而获得流型图。分析了空气-水形成两相流通过管长8 m，有机玻璃直径20 mm，分别将管倾斜5°，15°和25°，所得的数据采集。通过在相同管径条件下的倾斜管在不同倾斜角下流型出现的区域对比，得到管的倾斜角度对流型变化的影响。

两相流；流型转变；空气-水两相流

随着石油开发的地域的转变，油气的混合输送技术被石油工业迫切的需要。多项流技术为油气混输提供技术上的支持。但是理论并不完善。气液两相流包括三个方面：气相，液相和气液液面[1,2]。近年来，对于气液两相流的研究大多是围绕水平管，但是现实中，在石油开采和输送的过程必然会出现管道倾斜的现象，所以要求研究者们眼光的转变，使两相流的成果更加符合实际的需要。在国外，D.barnea和Weisman&Kangl等人已经做出了一定的成果。但是，国内的相关课题却稍少[3]。鉴于以上等原因，本文进行了此方面的相关研究。

1 实验部分

1.1 实验装置及流程

本实验的实验装置如图1所示。在实验过程中，首先选择管径20 mm的试验管路，把管的倾斜角调整为5°，开启离心泵向管路中注入大量的液体水，直到管道中的液体流量达到稳定。在开启空气压缩机，将压力系统的压力保持在0～0.5范围内，向管道中供入空气，随时准备调节控制阀调整气体的流量，观察管内气液的流型变化。如若达到稳定状态，立刻记录实验数据。在测定流型的过渡时要特别注意，多次反复的测量并记录结果。改变玻璃管倾斜的角度，分别为5°，15°和25°。完成以上的测量。最后关闭空气压缩机，水泵电源，放空管道中的水，完成结束实验，观察电脑中的记录，总结整理数据。

图 1 多相流实验装置图Fig.1 Multiphase flow experimental device

2 实验的流型转变机理

由于倾斜上升的两相流中的波状流占得区域很小，而且时间短暂，所以不考虑环状流向弹状流的转变。当环状流这种稳定流型遭到破坏时，环状流开始向弹状流改变，这是因为环状流稳定时，如缓慢减小气相的流速，其液膜上的小波波动幅度逐渐的增大，当达到气相速度的临界值时候，变大的波幅会将液膜联接，从而形成弹状流。研究得出，临界截面含气率为0.75[4]。

3 结果分析

根据实验观察的流型和试验数据，可以得到倾角5°，15°，25°的流型图(图2)。

式中：JW— 液相折算速度；

Jg— 气相折算速度：

QW— 液相真实流量；

Qg— 气相真实流量；

A— 管的横截面积。

将Jg为纵坐标，Jg为纵坐标，绘制流型图。

图2 不同条件下的流型图Fig.2 The flow pattern under different conditions

根据上面得到的流型图，为了可以更加直观的观察，再次拟合出流型的过渡区域中心线，进而细致观测管倾斜角度对流型的影响(图3)。

图3 不同倾角的流型转变对比Fig.3 The flow regime transition at different angle

3.1 气泡流向弹状流的过渡

由图3可以得知，从上而下，左到右分别为5°，15°和25°。管的倾斜角度的三个变化，气泡流转变为弹状流的界限依然是稍微上升。若界限往下面移，即是流型转变的Jg减小。

弹状流若要向波状流过渡，它的液桥必须断掉，那么所需的Jg应更大。原因是若从弹状流向波状流变化前的液桥厚度是固定值[5]，则倾斜角加大，液体受到的重力分力作用在气体越大。角度加大，气体受到的重力分力也越大，阻力越大。

3.2 波状流向环状流过渡

由图3可知，管的倾斜角变大，流型转变的界限向右移，即是倾斜角越大，Jg变小。出现的原因是若倾斜角变大，Jg越小，波状流往环状流过渡时，液面被施压，顺着管壁斜上移动，绕管子渐变为环状流动。

3.3 弹状流向环状流的过渡

由图3得知，弹状流向环状流的过渡范围变大。当倾斜角变大时，液体在重力作用下的分力下，液桥受压迫变薄，容易被气体冲破。重力的径向分力作用在液体上变小，液桥断开，上面液体变为液膜，很不容易脱落，界限左边所需的Jg越来越小。当倾角逐渐变大，转变界限右移，是因为倾斜角变大，所需Jg越大，气体冲击变大，液体的波动加大，形成液桥阻碍气相运动，因而需要更大的Jg保持环状流型。

4 结 论

本文是观察两相空气和水流动在三种角度管内流型。通过多次试验和多次数据的整理，对流型变化进行了绘制，结合原理，得出以下结论：

① 据试验台玻璃管中，可知倾斜管中流型的几种变化。

②由流型变化有：（1）气泡流向弹状流过渡Jg变小;（2）弹状流向环状流区域Jg变大；（3）弹状流向环状流变大；（4）波状流向环状流转变Jg减小。

［1］张金红. 气液两相流流型实验研究[D]. 哈尔滨工程大学，2005.

［2］曹夏听，阎昌琪. 倾斜管内气液两相流流型的实验研究[J]. 核动力工程，2005，26(6): 577-580.

［3］康万利，潘攀. 不同倾角管中油水两相流研究进展[J]. 油气储运，2005，24(9): 1-5.

［4］许晶禹，吴应湘，李东晖. 液相物性对气液两相管流流型和压降影响的研究[J]. 应用基础与工程科学学报，2005，13(2):111-119.

［5］李文庆. 气液两相段塞流流动机理的实验研究[D]. 大庆石油学院，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

韩洪升（1950-），男，黑龙江大庆人，教授，博士，东北石油大学毕业，研究方向：多相管流及数值模拟。