水管內(nèi)汽液兩相流壓降計(jì)算研究

陳敏

摘 要：針對(duì)汽液兩相流流型復(fù)雜、機(jī)理研究不成熟等特點(diǎn)，篩選了均相法、Dukler法和Beggs-Brill法三種方法計(jì)算兩相流壓降，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)例，在給定熱強(qiáng)度條件下，利用軟件對(duì)水管內(nèi)汽液兩相流流動(dòng)過程進(jìn)行模擬和分析，三種方法計(jì)算結(jié)果表明，均相法計(jì)算壓降最大，Dukler法次之，Beggs-Brill法最小。

關(guān)鍵詞：汽液；兩相流；壓降；計(jì)算

中圖分類號(hào)：TQ021 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）05-0251-02

0 引言

汽液兩相流是石油化工設(shè)備中常見的工況，對(duì)汽液兩相流的研究遠(yuǎn)不及單相流成熟，形成的理論只是一定范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)式或半經(jīng)驗(yàn)式。

汽液兩相流動(dòng)的主要理論模型[1]有兩類：均質(zhì)流動(dòng)模型和分離流動(dòng)模型。汽液兩相流壓降是兩相流研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容，兩相流壓降的計(jì)算比單相流復(fù)雜，兩相流相界面具有不均勻性使得單相流動(dòng)壓力降的計(jì)算方法不能直接用于存在相變化的過程。

由于汽液兩相流動(dòng)不單受流速變化的影響，而且隨著汽液兩相比例的變化，會(huì)出現(xiàn)多種流型，不同的流型對(duì)壓降的影響不同，主要是由于在流動(dòng)中汽液間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，流型不同所產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)程度不同，因而產(chǎn)生的滯流量也不同。滯流量相當(dāng)于有一部分液體停留在管路中，占據(jù)了一部分管路的截面積，相應(yīng)改變了汽液相流速，對(duì)壓降的影響較大。為了計(jì)算汽液兩相流的摩擦壓降，需要有劃分流型的圖或關(guān)聯(lián)式，從而建立起滯留量與壓降計(jì)算的關(guān)聯(lián)式。兩相流動(dòng)中壓降計(jì)算方法，根據(jù)各人不同的實(shí)驗(yàn)條件，已發(fā)表的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式約有30余種。

1 兩相流壓降計(jì)算方法

由于汽液兩相流系統(tǒng)本身復(fù)雜，至今兩相流動(dòng)過程的基本機(jī)理仍然不清晰，所提供的計(jì)算方法均屬經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，應(yīng)用上有較大的局限性。而且，兩相流動(dòng)過程中由于位置不同（水平、垂直或傾斜）其流動(dòng)特性也有較大差別，提供的計(jì)算方法也不完全相同。通過對(duì)公開發(fā)表的模型精度篩選、考察，使用均相法、Dukler法和Beggs-Brill法三種方法計(jì)算兩相流壓降。均相法把汽液兩相作為單相處理，Dukler法考慮了汽液兩相之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，既適用于水平管，又適用于垂直管，準(zhǔn)確性也比較好，在煉油工業(yè)應(yīng)用較廣；Beggs-Brill法考慮了持液量的影響，計(jì)算也比較簡單，對(duì)水平管和垂直管均適用。

1.1 均相法

均相法是將兩相流當(dāng)作單相流的計(jì)算方法，即假設(shè)汽液兩相之間不存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，忽略滯留量對(duì)壓降的影響。根據(jù)這些假設(shè)，均相法可以采用范寧公式計(jì)算摩擦壓力降，流速、密度和粘度均采用汽液兩相的混合流速、混合密度和混合粘度。對(duì)于高氣速的霧狀流和高液速的分散氣泡流，均相法的計(jì)算誤差比較小，但是對(duì)于其他流型，均相法只能作為一種初步的估算。

1.2 Dukler法

Dukler法是在大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過相似分析法得出摩擦壓降的關(guān)聯(lián)式，其中持液量的求取方法采用Hughmark法。該方法的計(jì)算過程比較簡單，適用范圍比較廣，既適用于水平管，又適用于垂直管，而且準(zhǔn)確性也比較高。

1.3 Beggs-Brill法

雖然均相法和Dukler法的應(yīng)用比較多，但是Masud Behnia通過對(duì)幾種常用的關(guān)聯(lián)式計(jì)算結(jié)果與兩相流管內(nèi)壓降實(shí)測值的比較發(fā)現(xiàn)，Beggs-Brills關(guān)聯(lián)式的平均誤差最小[2]，Dukler關(guān)聯(lián)式居第二位[3]。

2 壓降計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

布置6根水管，其中前三根水管規(guī)格為φ42×5×15000，后三根水管擴(kuò)徑，爐管規(guī)格為φ48×5×15000，軟件使用逐段計(jì)算法，將每根水管分5節(jié)計(jì)算，水管粗糙度為0.5mm，水管出口彎頭當(dāng)量長Lef/di取值為100，管間距S/do為2；工藝條件：水流量為200kg/h，入口溫度為170℃，壓力2.0MPa，詳細(xì)參數(shù)見表1。

2.2 計(jì)算結(jié)果

指定水管平均表面熱強(qiáng)度，根據(jù)表1中給定的已知結(jié)構(gòu)和工藝數(shù)據(jù)，分別使用均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三種方法計(jì)算水管壓降。

2.2.1 實(shí)例1

指定水管汽化段平均表面熱強(qiáng)度為10kW/m2，氣體段表面熱強(qiáng)度為1kW/m2作為已知條件，利用軟件對(duì)水管內(nèi)汽液兩相流流動(dòng)過程進(jìn)行模擬，三種壓降計(jì)算方法結(jié)果匯總參見表2。

200kg/h，170℃，2.0MPa的水進(jìn)入水管后，水管出口計(jì)算結(jié)果為：

（1）使用均相法計(jì)算得到的出口壓力為1.99135MPa，水管進(jìn)出口總壓降為0.00865MPa；（2）采用Dukler法計(jì)算得到的出口壓力為1.99139MPa，水管進(jìn)出口總壓降為0.00861MPa；（3）通過Beggs-Brill法計(jì)算得到的出口壓力為1.99495MPa，水管進(jìn)出口總壓降為0.00505MPa。

均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三種方法計(jì)算壓力結(jié)果沿水管長度變化的詳細(xì)結(jié)果參見表3。

2.2.2 實(shí)例2

指定水管汽化段爐管表面熱強(qiáng)度為30kW/m2，氣體段爐管表面熱強(qiáng)度為3kW/m2作為已知條件，利用軟件對(duì)水管內(nèi)汽液兩相流流動(dòng)過程進(jìn)行模擬，三種壓降計(jì)算方法結(jié)果匯總參見表4。

溫度170℃，壓力為2.0MPa，流量200kg/h的水進(jìn)入水管后，出口壓力及爐管壓降結(jié)果為：

（1）使用均相法計(jì)算得到的出口壓力為1.9789MPa，水管進(jìn)出口總壓降為0.0211MPa；（2）采用Dukler法計(jì)算得到的出口壓力為1.9872MPa，水管進(jìn)出口總壓降為0.01281MPa；（3）通過Beggs-Brill法計(jì)算得到的出口壓力為1.9895MPa，水管進(jìn)出口總壓降為0.0105MPa。

均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三種方法計(jì)算壓力結(jié)果沿水管長度變化的詳細(xì)結(jié)果參見表5。

2.3 結(jié)果分析

實(shí)例1和實(shí)例2計(jì)算結(jié)果均表明：均相法計(jì)算得到的壓力降低的最快，壓降最大，Dukler法次之，Beggs-Brill法最小。

分析認(rèn)為，在相同條件下均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三種壓降計(jì)算方法得到的壓降不同，主要是由于計(jì)算模型的假設(shè)不同：

（1）均相法把汽液兩相作為單相處理，壓降計(jì)算公式中的密度、粘度等物性參數(shù)采用汽液兩相的混合性質(zhì)，沒有考慮汽液兩相的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和滯留量對(duì)壓降的影響，作為單相處理的壓降計(jì)算結(jié)果與實(shí)際兩相流壓降誤差相對(duì)較大。（2）Dukler法既考慮了汽液兩相間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又考慮了滯留量影響。（3）Beggs-Brill法考慮了滯留量對(duì)壓降的影響。

3 結(jié)語

（1）針對(duì)汽液兩相流特點(diǎn)，篩選了均相法、Dukler法和Beggs-Brill法三種方法計(jì)算兩相流壓降。（2）在給定熱強(qiáng)度條件下，利用軟件對(duì)水管內(nèi)汽液兩相流流動(dòng)過程進(jìn)行模擬和分析，分別使用均相法、Dukler法、Beggs-Brill法計(jì)算壓降，并對(duì)結(jié)果做對(duì)比分析，結(jié)果表明，均相法求得的壓降最大，Dukler法次之，Beggs-Brill法最小。（3）鑒于汽液兩相流的一些機(jī)理還不是很清楚，提供的三種壓降計(jì)算方法都是一定范圍內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，具體哪種方法更接近實(shí)際，還需要更深入的考察和研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃鴻鼎，馮亞云.兩相流動(dòng)中的壓強(qiáng)降計(jì)算[J].化學(xué)工程，1982：42-43.

[2] Beggs H D，Brill J P. A Study of Two-Phase Flow in Inclined Pipes JPT. Multiphase Flow，1973，5（3）：607-617.

[3] Behnia M. Most accurate two-phase pressure-drop correlation identified. Oil & Gas Journal，1991，12（4）：90-95.