基于Taitel-Dukler方法的氣液兩相流型邊界計(jì)算軟件開發(fā)

邵 奇

（中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

基于Taitel-Dukler方法的氣液兩相流型邊界計(jì)算軟件開發(fā)

邵 奇

（中國石油大學(xué)（北京），北京 102249）

氣液兩相流動是多相流動最為常見的類型之一，其現(xiàn)象廣泛存在于石油工業(yè)的生產(chǎn)之中。氣液兩相流的流型在很大程度上影響著氣液兩相流的傳熱特性和流動特性，同時還影響著兩相流系統(tǒng)的運(yùn)行以及流動特性參數(shù)的準(zhǔn)確測量。采用Taitel-Dukler方法的流型判別準(zhǔn)則應(yīng)用Java語言開發(fā)出流型邊界計(jì)算軟件，并用該軟件計(jì)算得出的結(jié)果繪制流型圖。結(jié)果表明：管道向下傾斜將會增強(qiáng)流動型態(tài)的層狀化；當(dāng)管徑變小時，發(fā)生流型轉(zhuǎn)變的氣液相折算速度也較小。

氣液；兩相流；流型；軟件

多相流動的流體運(yùn)動形式比較復(fù)雜，其復(fù)雜性主要表現(xiàn)在流型的多變性、能耗增大、相間相互作用強(qiáng)、物性變化臨界值降低、數(shù)學(xué)描述難度大等方面[1]。

氣液兩相流動是指氣相和液相這兩種流動介質(zhì)同時存在于同一個流動體系中的流動現(xiàn)象。它是多相流動最為常見的類型之一。氣液兩相流動現(xiàn)象廣泛存在于石油工業(yè)的生產(chǎn)之中。氣液兩相流的流型在很大程度上影響著氣液兩相流的傳熱特性和流動特性，同時還影響著兩相流系統(tǒng)的運(yùn)行以及流動特性參數(shù)的準(zhǔn)確測量。能否正確判斷流型對氣液兩相流的研究意義重大。因此，對于氣液兩相流流型的判別一直是兩相流參數(shù)研究的一個重要課題［2］。

為了便于流型判別，根據(jù)實(shí)際需要人們常采用流型圖作為綜合表示流型間過渡關(guān)系的一種簡便方法[3]。

1 水平氣液兩相流型圖的建立

對于氣液兩相流動型態(tài)的確定是計(jì)算水平管道兩相流壓降的前提。由于是在主觀觀察的基礎(chǔ)上進(jìn)行流型的定義,因環(huán)境因素、實(shí)驗(yàn)條件存在差異目前尚未建立公認(rèn)的定義,所以人們廣泛采用普遍接受的流型劃分[3]。

1.1 Baker流型圖

Baker在1954年提出的首幅對各種介質(zhì)較為通用的流型圖是為人們所熟知的最早的水平管路流型圖[4]。Baker以大量實(shí)驗(yàn)和觀察為基礎(chǔ)，在對許多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，總結(jié)出了七種流型各自對應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，認(rèn)為流型和氣液流量、氣液物性都有關(guān)。目前該流型圖在石油工業(yè)中依然被廣泛使用[5]。

1.2 Mandhane流型圖

Mandhane在1974年通過實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)做出了水平管流型分界圖。Mandhane流型圖以氣相折算速度為橫坐標(biāo)，以液相折算速度為縱坐標(biāo)，共劃分出六種流型。該流型圖的優(yōu)點(diǎn)是適用范圍要比Baker流型圖更廣泛，使用者眾多，但缺點(diǎn)是不能體現(xiàn)氣液物性對流型的影響[5]。

1.3 Taitel-Dukler流型圖[5]

以上兩種流型圖均屬于經(jīng)驗(yàn)流型圖，其缺陷頗多，考慮流型影響因素不夠全面。Taitel和 Dukler在 1976年提出的用半理論方法對流型邊界的處理相對經(jīng)驗(yàn)流型圖而言比較全面，因而得到了廣泛的認(rèn)同。他們把兩相管路的流型分為5種，并假設(shè)管內(nèi)的氣液兩相為一維的穩(wěn)態(tài)流動，從分層流入手，研究流型轉(zhuǎn)換機(jī)理與分界準(zhǔn)則，在此基礎(chǔ)上提出Taitel-Dukler流型圖。該流型劃分法使用廣泛，適用于各種管路傾角，包括傾角為90°時的垂直管。

2 Taitel-Dukler方法流型判別準(zhǔn)則

2.1 由分層流轉(zhuǎn)換成沖擊流或環(huán)狀流的判別準(zhǔn)則

Taitel和Dukler根據(jù)波的穩(wěn)定性理論，定義了一個判別用的無因次參數(shù)F:

由分層流轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊流或環(huán)狀流，決定式為：

2.2 由沖擊流轉(zhuǎn)換成環(huán)狀流的判別準(zhǔn)則

隨著液體流量的增加，分層流發(fā)展為環(huán)狀流或沖擊流的唯一決定因素是管內(nèi)的液面高度。Taitel和Dukler提出，如果＜0.5，則分層流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流；如果≥0.5，則轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊流。

2.3 由層狀流轉(zhuǎn)換成波狀流的判別準(zhǔn)則

當(dāng)壓力和切力對于波所作的功超過波的粘滯損耗時，波將在液層的表面被激起，Taitel和Dukler根據(jù)波產(chǎn)生的條件，定義了一個無因次參數(shù)K。

由層狀流轉(zhuǎn)變?yōu)椴盍?，決定式為：

2.4 由沖擊流轉(zhuǎn)換成分散泡狀流判別準(zhǔn)則

在沖擊流中，隨著液面越趨近于管子的頂部，則氣體越容易與液體混合。Taitel和Dukler提出，當(dāng)液體紊流的脈動強(qiáng)度大到足以克服使氣體位于管子頂部的浮力時，則將出現(xiàn)沖擊流向分散泡狀流的轉(zhuǎn)變。根據(jù)這一認(rèn)識，他們定義了一個判別用的無因次參數(shù)T:

由沖擊流轉(zhuǎn)變?yōu)榉稚⑴轄盍?，決定式為：

根據(jù)Taitel和Dukler提出的流型判別的四個準(zhǔn)則，筆者應(yīng)用Java語言編制出氣液兩相流型邊界計(jì)算軟件，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要輸入合理數(shù)據(jù)，邊界計(jì)算結(jié)果如下圖所示。

圖1 流型邊界計(jì)算軟件Fig.1 Flow Pattern Boundary’s Calculation Software

3 計(jì)算結(jié)果對比分析

3.1 結(jié)果準(zhǔn)確性驗(yàn)證

圖2 流型圖對比Fig.2 Flow Patterns’ Comparison

為了驗(yàn)證本軟件計(jì)算結(jié)果繪制流型圖的準(zhǔn)確性，現(xiàn)將計(jì)算流型邊界參數(shù)繪制的流型圖與通過實(shí)驗(yàn)研究繪制的流型圖進(jìn)行對比[3]，比較結(jié)果如圖 2所示，其中橫坐標(biāo)為氣相折算速度，縱坐標(biāo)為液相折算速度，圖中實(shí)線部分為通過軟件計(jì)算得出的參數(shù)繪制的流型轉(zhuǎn)換邊界。通過對比，可以看出，二者各主要流型間的分界線基本重合，從而驗(yàn)證了本軟件的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要應(yīng)用所開發(fā)的計(jì)算軟件通過輸入不同的參數(shù)值所得出的邊界點(diǎn)繪制出流型圖，以此來得出相應(yīng)的結(jié)論。

3.2 不同傾角流型分布圖繪制

在管徑為50 mm，管道下傾角為1°時繪制出的流型分布圖如圖3所示。相同管徑下，管道下傾角5°時繪制出的流型分布圖如圖4所示，其余參數(shù)氣相取空氣的參數(shù)值，液相去水的參數(shù)值。通過對下傾角不同的流型圖進(jìn)行對比可以看出：

圖3 管道下傾角為1°的流型分布圖Fig.3 Flow Pattern(Dip Angle is 1°)

圖4 管道下傾角為5°時的流型分布圖Fig.4 Flow Pattern(Dip Angle is 5°)

當(dāng)管道向下傾斜角度增大時將會增強(qiáng)流動型態(tài)的層狀化。

3.3 不同管徑流型分布圖繪制

當(dāng)管段水平時（即管道下傾角為 0°時），繪制管徑分別為25和50 mm的條件下的流型圖(圖5)，實(shí)線表示50 mm管徑時的流型轉(zhuǎn)換邊界，虛線表示25 mm的管徑時的流型轉(zhuǎn)換邊界，通過對比可以得出，當(dāng)管徑變小時，發(fā)生流型轉(zhuǎn)變的氣液相折算速度值也有所降低。

圖5 不同管徑下水平管兩相流的流型分布圖Fig.5 Two Different Diameters’ Flow Pattern

4 結(jié) 論

筆者將所開發(fā)的流型邊界計(jì)算軟件得出數(shù)據(jù)繪制的流型圖與哈爾濱工程大學(xué)張金紅所作的氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)觀察的流型圖進(jìn)行對比，表明各主要流型間的變化趨勢基本符合，從而驗(yàn)證了本流型邊界計(jì)算軟件在一定程度上的準(zhǔn)確性。通過單一變量法的應(yīng)用得出以下結(jié)論：

（1）通過對管徑相同下傾角不同得到的邊界數(shù)據(jù)所繪制的流型圖進(jìn)行比較，可以看出，管道向下傾斜將會增強(qiáng)流動型態(tài)的層狀化。

（2）通過對管徑不同水平條件下得到的邊界數(shù)據(jù)所繪制的流型圖進(jìn)行比較，可以看出，當(dāng)管徑變小時，發(fā)生流型轉(zhuǎn)變的氣液相折算速度也較小。

［1］ 韓煒.管道氣液兩相流動技術(shù)研究[D].南充：西南石油學(xué)院, 2004.

［2］ 周云龍，孫斌，李雅俠.氣液兩相流流型壓差波動的PDF特征[J].儀器儀表學(xué)報(bào), 2003,24(4):432-433.

［3］ 張金紅.氣液兩相流流型實(shí)驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2005.

［4］ Baker O.Simultaneous flow of oil and gas.Oil Gas Journal. 1954,26(7):185-195.

［5］ 馮叔初,郭揆常,等．油氣集輸[M].山東：中國石油大學(xué)出版社，2006：170-175．

Development of Gas-liquid Two-phase Flow Boundary Calculation Software based on Taitel - Dukler Method

SHAO Qi
（China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China）

Gas-liquid two phase flow is one of the most common types of multiphase flow; the phenomenon widely exists in the production of the oil industry. The flow pattern of gas-liquid two-phase flow to a great extent, affects the heat transfer characteristics and flow characteristics of gas-liquid two-phase flow, and affects the operation of the two-phase flow system and accurate measurement of flow characteristic parameters. In this paper, flow pattern criterion of Taitel - Dukler method was used to develop flow boundary calculation software based on Java language, and the flow pattern map was drawn based on the results calculated with the software. The results show that: downward inclined pipe can enhance the stratification of the flow pattern; when the pipe diameter becomes small, gas liquid superficial velocity of flow pattern is small.

Gas-liquid; Two-phase flow; Flow pattern; Software

TQ 018

A

1671-0460（2015）08-1981-03

2015-03-10

邵奇（1988-），男，黑龍江七臺河人，助理工程師，碩士在讀，2011年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（北京）油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：從事油氣田地面工程及成品油管道調(diào)度方面的研究工作。E-mail：shaoqicool@126.com。