基于密度波理论的油水两相流测量方法探究

高剑飞

【摘 要】注水油田存在油水两相流动，通常油水两相流测量主要通过总流量和持率的测量组合来完成的。论文基于密度波理论的油水两相流测量方法进行了分析研究。

【Abstract】There is two-phase flow in water injection oilfields. Usually， the measurement of oil-water two-phase flow is done mainly through the combination of total flow and holdup.The measurement method of oil and water two-phase flow based on the density wave theory is analyzed and studied in this paper.

【关键词】两相流；不稳定性；密度波；测量

【Keywords】two-phase flow； instability； density wave； measurement

【中图分类号】TQO359 【文献标志码】A 【文章编号】1673-1069（2017）12-0179-02

1 引言

在两相流中的密度变量一般情况下存在两种传播形式，一种形式是压力波，是由于压缩效应引起的两相流体混合密度变化产生的波，此种波的传播速度同时向两个方向传播；另一种形式是密度波或空隙度波、运动学波，其是由空隙度变化引起两相流体混合密度变化而产生的波，该种波传播只有一个传播方向。论文基于密度波理论的油水两相流测量方法进行了分析研究。

目前在总流量的测量中主要是应用涡轮流量计进行测量，但是由于该方法在条件复杂的环境中测量精度不高，加上采用集流型测试仪器只能在特定的含水率较低的环境中进行测量，所以需要创新设计，从而提高油水两相流测量方法的准确性，更好地进行推广应用，发挥应有的作用和功能。关于油水两相流流型方面的研究，国内外有很多的研究成果，主要方法有基于时间序列分析的油水两相流流型、基于密度波理论的油水两相流流型研究方法，每种方法都有不同的侧重点，各成体系，需要进行具体的模型和参数设置，在进行不断检验分析的基础上最终确定方法的可行性[1]。

2 两相流中密度波线性理论分析

2.1 气液两相流中密度波的线性理论分析

两相流管道中的流体变化一般主要表现为两种不同的形式，一种是密度波，一种是压力波。密度波与压力波存在着显著区别，通常对密度波研究时会将气相当作不可压缩来分析和研究。密度波实质上是非线性波，特征线会发生相交。依据密度波的线性解可以推断其相应的非线性特性。利用简化的双流体模型Pauchon和Banerjee，可以实现对单维两相流进行密度波线性分析。需要指出的是，由于气泡的加速运动会产生一种虚拟质量力，这是一种附加力，Pauchon和Banerjee使用连续方程和运动方程，并综合考虑虚拟质量力，较为准确地实现了对气液两相流中的密度波进行定量分析。Pauchon和Banerjee的分析表明，有高频波和低频波两种可能的波，一旦达不到密度波传播的稳定性条件，密度波就会变得不稳定。拉赫易对密度波的两个特征波速分别作出了分析，他指出相同角频率的密度波的传播速度也不完全相同。密度波通常以较大的一种速度传播，频率接近零的传播速度就是威尔士的连续波速；当阻尼较大时密度波会通过较小的一种速度进行传播，但在试验中一般很难测出。拉赫易对密度波进行了详细的分析研究，将密度波分为四种形式，分别是高频高速波、低频高速波、高频低速波和低频低速波。因为高频低速波和低频低速波在平常的试验中很难测出，高频高速波、低频高速波很容易测出，分别对应于Pauchon和Banerjee分析的高频波和低频波。分析密度波型脉动性和色散特性等需对密度波线性理论更进一步完善。当前，由于科学的不断发展和技术水平的不断提升，气液两相流中密度波的研究试验获得了极大的进步，波速、频率、色散性、稳定性等方面的数据资料都日渐丰富。据有关测量结果显示，高频波速度快，低频波速度较慢，高频波衰减要比低频波快一些，基本上是非色散波。密度变量通常以低频波形式进行传播，密度波是低频波，频率仅仅为几赫兹[2]。虽然经过大量的实验分析，还需要进一步完善气液两相流中线性密度波理论，便于进一步验证、分析密度波型脉动和密度波的色散特性，使其更科学更准确。

2.2 流化床中密度波的线性理论

气液两相流中的密度波与流化床中的密度波有着明显的不同，气液两相流中气泡与气泡相互之间作用会造成气泡聚并，造成密度波不够稳定；流化床中颗粒间的作用不会造成颗粒聚并，密度波较为稳定。通过大量实验和公式对波速和波数的计算结果表明，流化床中的密度波基本上是非色散波，也表明了气液两相流中的密度波和流化床中的密度波特性有类似之处。需要具体情况具体分析，进而找到和摸索有关的规律，从而确定最终的參数值。

3 密度波的非线性理论

3.1 气液两相流中密度波的非线性理论分析

密度波实际上是非线性波，当小扰动密度波出现不稳定的传播，或两个小扰动密度波不断的叠加，将会形成有限振幅波或者激波。利用双流体模型计算，可以将气液两相流中有限振幅密度波的波动方程推导出来，通过波动方程计算表明，有限振幅波或激波与小扰动线性波，它们之间存在着紧密的联系，当前由于技术理论还没有达到非常成熟的地步，非线性密度波理论的分析还有待进一步完善，直到目前还没有成功的试验来有力佐证。还需要进行不断探索和研究，进而找出相关的规律，从而提高实证的全面性和科学性。

3.2 流化床中密度波的非线性理论

通过一些学者对流化床中的非线性密度波的研究和分析，流化床密度波的耗散和扩散现象，能有效地稳定波阵面的分布，从而形成不断相继变化的激波波阵面，导致流化床处于不稳定状态。有关研究分析显示，磁化率与磁场成线性关系，激波以相同的速度向上、下两个方向进行传播，这时弱激波的波速就是流化床中气固混合物的声速。当前，随着对流化床中密度波的非线性理论的不断研究和分析，线性密度波的稳定性、高阶波和低阶波基本形成了统一的认同。在色散性研究方面，气液两相流中的密度波和无磁力作用的流化床中的密度波基本上都是非色散波，有磁力作用的流化床中的密度波一般是色散波[3]。

4 两相流流动参数

4.1 两相流速度场参数

两相流系统流体存在相间的相对运动，表征两相流混合流动速度、表征各个分相的实际速度、表观速度、表征分相速度差异的相对速度、相对速度比等等，都是非常关键的参数值，需要认真研究和计算分析，有效提高参数的科学性和准确性。

4.2 两相流流型

影响两相流压力损失和传热特性的重要因素很大一部分是因为流型的不同。对两相流的特征参数进行测量，必须了解两相流的流型，才能找准相关的规律，进而确定具体的流型，这需要结合具体的情况和环境进行分析和研究，最终确定合适的辨识方法。

5 结语

综上所述，基于密度波理论的油水两相流测量方法有多种多样，内涵丰富，各成系统。密度波是两相流最基本的特点之一，比压力波更为常见。两相流中出现的溢流、流型转变、密度波型脉动和流化床等现象，都与密度波有关。只有加强油水两相流测量方法的分析研究，才能更好地提升测量的精度和质量。

【参考文献】

【1】邢荣亮.基于差压测量方法的油水两相流流动特性研究[D].天津：天津大学，2016.

【2】聂向斌.基于密度波理论的油水两相流测量方法研究[D].大庆：大庆石油学院，2014.

【3】张聪.基于PIV技术的水平管油水两相流流速测量方法研究[D].秦皇岛：燕山大学，2014.endprint