石油化工多相管流研究综述及应用

王祺来

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）



石油化工多相管流研究综述及应用

王祺来

（中国石油大学（北京）机械与储运工程学院，北京 102249）

摘 要：多相管道流动广泛存在于石油化工行业中，但目前国内外研究学者对多相管流机理问题在实验和理论方面尚存在有不一致的结论和认识，文章对多相管流研究进行调研整理，阐述了多相管流发展历程及研究现况，介绍了近些年来的研究热点，最后概述多相管流在石油化工行业的应用，对学者研究石油化工多相流管流问题起到一定理论指导。

关 键 词：多相管流；石油化工；研究热点；应用

多相管流是研究相异组份或者相异状态的物质共同存在于管流中的动力学及传热传质规律，广泛存在于石油化工、能源动力、低温制冷及航空航天等学科领域中。在石油化工中，常常需要处理不同组份或者不同相态物质的流动问题，这种体系通常被称作多相体系，相应的流动被称为多相流［1］。两相以上的流动广泛存在于石油化工中，如石油、天然气、水三相流动，甚至油、气、水、沙四相同时流动。

随着工业科技的发展，多相管流的原理研究及其应用俨然是石油化工领域的重要研究课题。但时至目前，研究人员仍不能彻底掌握多相流的原理，对许多问题在实验和理论方面尚存在有不一致的结论和认识，所以也还不能提出精确描述多相流动特征的模型，多相流总体的理论体系框架还很不完善，高精度、适用范围宽、便于实际应用的多相流技术还有待逐步发展，数值计算方法也还有发展空间［2］。

1 多相管流研究历史及现状

1.1 多相管流研究历史

1949年，Lockhart-Martineli［3］首次提出利用经验关系代数式来求解多相管流的流动特性参数，直到上个世纪80年代，多相管流的学者都在探讨较广泛的流动前提下，广泛得到实验数据和现场数据，并利用统计学等数学的方法，得出相应经验或者半经验的公式。其优势是计算简单，在实验范围内计算精度高，其缺陷是只适合在特定的条件下应用。

此后研究学者们几乎都将科研重心转到了机理研究上，探究多相管流的物理特性，建立相应数学物理模型，用数值方法简化并利用计算器得出其解。Barnea［4］提出的统一流动模型适用任意倾角下的流型判断，并指出各种流型之间变化的规律。Taitel［5］的段塞流动适用于任意倾角，根据质量守恒定理得出单元段塞内的平均持液率，根据动量定理得出液膜区长度和一个段塞单元长度，根据作用力定理得出通过段塞单元的压降。Alves［6］的统一环状流模型在任意倾角均适用，发现环状流和分层流流型有许多共同点，不同点是环状流的气芯在中，使气液相界面间摩阻系数计算方式不同。Gozllez［7］的统一泡状流数理模型能对泡状流中的液体持液率进行精确预测。统一流动模型的优势是其精度较高，可以得到流型的流动原理并且有更宽泛的适用性。

随着多相管流的研究深入，研究者逐渐从研究现象向原理研究发展，因为研究多相流机理才可以真正抓住流型及各种流型变换的本质。B.D.wood［8］等人对段塞流在下倾管中运动原理进行分析，发现下倾管为大倾角时，不会出现段塞流，而仅仅在下倾角较小时，由于长波出现导致流型不稳定才会出现段塞流。Taitel［9］等人对水平管、上倾管中产生段塞流的本质进行深入的分析研究，认为多相管路的扰动、管路倾斜角度的变化以及气液两相流量的变化等情况使管中出现Kelvin-Helmholtz小波的不稳定现象是水平管和上倾管中易出现段塞流的本质因素，使多相管流管内流型发展，最终形成段塞流。

多相管流过程非常复杂，国内外科研人员对多相管流进行了大量研究，但存在的问题主要是多相管流问题在实验和原理方面尚存在不统一的认识和结论，多相流的体系框架建立还不够完善，适用范围广、精度高、实用性强的多相流实验性测试方法还有待研究，数值计算方法也还不够成熟［10］。

1.2 多相管流研究现状

到目前为止的研究现状是：工程问题可通过实验研究得以解决，对特定问题理论上已有比较清晰的认知，数值计算和数值模拟也已得到一定的发展。

当前的发展趋势是针对多相管道流动基础进行探究，提出合理的数学物理模型进行数值模拟，再用典型的实验结果去检验，完善其数学模型，令其能得到更全面的应用。但目前数学模型工艺计算大都需借助经验公式和半经验公式得到，适用范围十分局限。在实验条件范围内，经验公式都拥有较好的准确度，可推广到实际工程情况时便会引起大的偏差，甚至完全错误的结果［11］。

对于多相管流的参数计算，其核心内容为流型的判断、含液率及压力梯度的计算。其中流型判断、含液率计算是其根本，而最终目的是为了得到压力梯度的计算方法。而多相管流的复杂性在于流型的不可确定性和多样性、多相流各相间存在质量及能量的交换和力的相互作用、界面不稳定和随机特性及流动特性参数难以测量。所以相比于单相管流，多相管流的研究更加困难。

当今石油化工中大部分两相流分析都依赖于稳态模型，完整的管路认为是由多段上坡管及下倾管组成，气液两相的流量、流动特性以及流型、压降和含液率可利用经验公式或机理模型得出。其中稳态气液两相流的机理模型是基于气液两相的质量守恒方程和动量守恒方程得出的，这些机理模型都与气液两相流的流型有关，对于段塞流，无论水平管、倾斜管和竖直管，学者都进行了大量的研究工作，Dukler和Hubbard［12］率先提出一种段塞流模型（图1），此模型是一维模型，对每个段塞单元利用质量和动量守恒方程进行求解，利用经验公式得出段塞单元长度及速度等参数，其可靠性和准确性很大程度上依赖于圈闭公式。

图1 段塞流物理模型Fig.1 Physical model of slug flow

利用模型得到的计算结果一般不能直接用于实际多相管路计算，必须在压力低、管径小和输量小得出的代数式加以修改，才可使之用于现场。

因此现在学者探究的方向有：

（1）各种不同的经验公式在流型的判断、计算含液率以及压力梯度的预测方面各有优劣势及适用范围，应将各种经验公式加以恰当的整合，从而取得应用性更宽泛、更高精度的组合模型。

（2）探究各流型的多相管流流动规律，研究得到不同流型相互之间转化的条件，建立起转化模型，求解不同流型下的数理方程。

（3）选用效果好的测试方法，研究建立起各种流型瞬态模型，得出求解各流型下瞬态模型的方法。

多相流本身非常复杂，在数值模拟方面提出更为合理的多相管流理论模型，基本控制方程与圈闭条件的结合，对比各种离散化方法，加快离散化方程求解速度、增强计算机程序强壮性等仍然是研究学者们不断追求的方向。研究建立准确度高的模型，不仅需要进行更为精细的理论推导以及基础物理的发展，而且还要体量更大的实验及数值模拟数据。

由此多相流相关的CFD模型开发在石油化工领域中变得格外重要。多相管流数值模拟的方法可分为两大方向：多流体模型法以及拉格朗日法［13］。

2 多相管流研究热点

2.1 地形起伏多相管流研究

对于存在地形起伏多相管流探究，把在小管径、低压和低流量得出起伏段塞流的特性参数变化规律加以整理，扩展到现实工程管路中是十分有意义的。段塞流动的物理参数有很多，主要有液膜区的长度、单元段塞长度、液膜区含液率以及段塞流动频率等。目前对于段塞流这种流型形成的实质机理，国内外专家学者仍有许多不同的意见，尤其是对于关键物理参数的计算方面，目前对段塞流中的特性参数进行计算的模型有很多，然而均存在准确度不高的特点，十分有必要得到更加完美的段塞流的数理模型来计算关键特性参数。

由于石油化工工程上的需要，现阶段多相管流研究出现了由静态模型研究转型到瞬态多相管流模型的发展。稳态、仅与空间位置有关的公式在瞬时改变条件下无法使用，又由于瞬态两相流模型是基于各相基本的守恒方程，相界面之间的动力学相互作用也是基于更为基础的水平，所以这种模型的适用范围更广泛。所以得到瞬态多相管流模型十分有意义［14］。近些年水平管和倾斜管的瞬态两相流模型逐渐发展起来。Ishii和Mishima［15］提出了在段塞流模型中计算一个拖动系数和虚拟质量力更加具体的分析了段塞流动的动力学特性，V De Henau［16］提出了一种计算段塞流流动特性参数的瞬态模型考虑了拖动系数和虚拟质量力对段塞流的影响。瞬态多相管流模型建立的困难在于能否实时精确的得到各工艺参数，尤其是对流型和持液率的检验以及求解。

2.2 多相管流的流型、压力梯度及持液率研究

目前针对气液两相流的流型判断以及压力梯度的研究方面，在存在重力条件下的水和空气的两相管流流型及流型图的研究及压力梯度计算已经十分透彻，但是面对小尺度的微管或者非常规管道形状以及流体物性差异带来的在管内气液两相流的流型和压力梯度的研究就十分有限。

流型研究方面，王树众［17］对空气-油在垂直下降管中的流型进行实验研究，表明油气两相流的流型不同于低粘液体的两相流流动并且流型与液体的粘度密切相关。Wolk［18］研究了铅直向上的当量直径为6mm的非圆形截面管道中的流型变化情况，完善了非常规管道形状管道各流型转换的所需参数值。

压力梯度研究方面，Dziubimsk［19］通过实验研究发现管道内非牛顿流体与气体一块输送的能大大减小平均压力梯度，并提出了半理论半经验的计算压力降的方法。Zhao［21］模拟航天器的微重力条件下的空气-水两相管流压力梯度，实验比较发现影响气液两相流压力梯度的主要因素并非重力。

持液率研究方面，Cai［22］通过对油气的混合物处于泡状流和弹状流这两种流型情况下在铅直管内向下流动的持液率进行研究并得出相应规律。Hewitt［20］通过对油、气、水三相在管道内流动时的持液率进行研究发现：随着管道内持液率变化规律与油气水三相的比例有关，持液率随水相上升首先会不断上升，最终达到一个峰值再快速降低。

3 多相管流在石油化工领域应用

在油气田的集输过程中，经常采用多相管流的方式输送。由于陆地上油气资源有限性，使人们将视野逐步转向深海、荒漠等地区。采用多相混输投资少、运行费用低，相对单相管路优势明显，多相管输逐渐成为油气储运中常见的运输方式之一［23］。

石油工程方面，大量学者进行了实验和理论研究工作，获得了在水平井中的油-气两相管流持液率、压力梯度以及流体的流出状况，最终才将水平井开采技术应用于实际。

油气混输过程中会出现不稳定的段塞流情况，如果出现严重的段塞流工况，出口的设备运行工况变化剧烈，可能导致由于设备无法正常运作，影响到油气产能。为了确保混输管道在不同实际工况的正常平稳运行，Minami［24］通过实验和数值模拟相结合的方式对清管通球过程进行了研究，提出的清管器运行模型能预测清管压力、清管速度、持液率等参数，计算结果和实际测得值吻合的很好。

流化床在化工领域广泛使用，其中的三相流化床作为一种关键的化工反应器也有着不可比拟的地位。因此针对三相流化床的研究十分广泛。Gavery［25］针对流化床中的泡状流动过程进行研究，分析多种参数对其的泡状流动的影响。

4 结 语

多相管流的研究涉及到物理、化学、数学及计算机等多个学科交叉，难度很大。因为多相管流在石油化工领域中的内容十分繁杂，探讨范围很宽，没办法一一进行详尽举例，本文中所探讨的内容是目前为止石油化工方面多相管流研究的历史、现状、热点及应用，每个研究方向的文献都十分的丰富，本文只列出讨论领域较为经典的参考文献进行说明，让读者对多相管流有个初步的了解和认知，为日后研究多相管流提供一定的指导和借鉴。

参考文献：

［1］陈家琅. 石油气液多相管流研究展望［J］. 油田地面工程， 1989， 8（5）：1-4.

［2］陈学俊. 多相流研究的进展［J］. 自然科学进展--国家重点实验室通讯， 1991 （2）：113-118.

［3］Lockhart R W， Martinelli R C. Proposed correlation of data for isothermal two-phase， two-component flow in pipes［J］. Chem. Eng. Prog， 1949，45（1）：39-48.

［4］Barnea D. A unified model for predicting flow-pattern transitions for the whole range of pipe inclinations［J］. International Journal of Multiphase Flow， 1987， 13（1）：1-12.

［5］Taitel Y， Dukler A E. A model for predicting flow regime transitions in horizontal and near horizontal gas-liquid flow［J］. AIChE Journal， 1976，22（1）：47-55.

［6］Alves I M， Caetano E F， Minami K， et al. Modeling annular flow behavior for gas wells［J］. SPE production engineering， 1991， 6（04）：435-440.

［7］Gomez L E， Shoham O， Schmidt Z， et al. A unified mechanistic model for steady-state two-phase flow in wellbores and pipelines［C］//SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Society of Petroleum Engineers，1999.

［8］Woods B D， Hurlburt E T， Hanratty T J. Mechanism of slug formation in downwardly inclined pipes［J］. International journal of multiphase flow，2000， 26（6）：977-998.

［9］Taitel Y， Sarica C， Brill J P. Slug flow modeling for downward inclined pipe flow：theoretical considerations［J］. International journal of multiphase flow， 2000， 26（5）：833-844.

［10］蒲明. 中国油气管道发展现状及展望［J］. 国际石油经济， 2009 （3）：40-47.

［11］罗小明. 气液两相和油气水三相段塞流流动特性研究 ［D］. 青岛：中国石油大学（华东）， 2007.

［12］Dukler A E， Hubbard M G. A model for gas-liquid slug flow in horizontal and near horizontal tubes［J］. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals， 1975， 14（4）：337-347.

［13］詹树华. 几种化工及冶金反应器内多相流动传输现象的模拟研究［D］. 长沙：中南大学， 2004.

［14］夏丽洪， 郝鸿毅， 杨慧玲. 2013年中国石油工业综述［J］. 国际石油经济， 2014 （4）：45-53.

［15］Ishii M， Mishima K. Two-fluid model and hydrodynamic constitutive relations［J］. Nuclear Engineering and design， 1984， 82（2）：107-126.

［16］De Henau V， Raithby G D. A transient two-fluid model for the simulation of slug flow in pipelines—I. Theory［J］. International journal of multiphase flow， 1995， 21（3）：335-349.

［17］王树众， 林宗虎， 王妍芄. 垂直下降管中两相流的流型以及液相粘度对流型的影响［J］. 应用力学学报， 1998， 15（3）：25-29.

［18］Wölk G， Dreyer M， Rath H J. Flow patterns in small diameter vertical non-circular channels［J］. International journal of multiphase flow，2000， 26（6）：1037-1061.

［19］Dziubinski M. A general correlation for two-phase pressure drop in intermittent flow of gas and non-newtonian liquid mixtures in a pipe［J］. Chemical engineering research & design， 1995， 73（5）：528-534.

［20］Hewitt G F， Pan L， Khor A H. Three-phase gas-liquid-liquid flow：flow pattern， holdup and pressure drop［J］. ISMF， 1997， 97：7-10.

［21］Zhao L， Rezkallah K S. Pressure drop in gas-liquid flow at microgravity conditions［J］. International journal of multiphase flow， 1995， 21（5）：837-849.

［22］Cai J， Chen T， Ye Q. Void fraction in bubbly and slug flow in downward air-oil two phase flow in vertical tubes［C］//international symposium on multiphase flow， Beijing. 1997.

［23］喻西崇， 冯叔初. 起伏多相管流压降计算方法的研究［J］. 油气田地面工程， 2000， 19（5）：1-2.

［24］Minami K， Shoham O. Pigging dynamics in two-phase flow pipelines：experiment and modeling［J］. SPE production & Facilities， 1995，10（04）：225-232.

［25］Gavroy D， Joly-Vuillemin C， Cordier G， et al. Gas hold-up， liquid circulation and gas-liquid mass transfer in slurry bubble columns［J］. Chemical engineering research & design， 1995， 73（6）：637-642.

Review and Application of Multiphase Pipe Flow in Petrochemical Industry

WANG Qi-lai
（China University of Petroleum， Beijing 102249，China）

Abstract:Multiphase pipe flow is widely used in petrochemical industry， but the researchers at home and abroad do not form a unified understanding of multiphase pipe flow mechanism in experiment and theory. In this article，correlational researches of multiphase pipe flow were investigated and systemized； the developing history， research progress of multiphase pipe flow were introduced， then the research highlights of multiphase pipe flow in recent years were presented. Finally， application of multiphase pipe flow in petrochemical industry was discussed.

Key words:Multiphase pipe flow； Petrochemical industry； Research highlights； Application

中图分类号：TE 832

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0345-03

收稿日期：2015-10-22

作者简介：王祺来，男，浙江杭州人，2014年毕业于中国石油大学（华东）油气储运工程专业，研究方向：长距离管道多相流动研究工作。E-mail：396172717@qq.com。