基于Taitel-Dukler方法的氣液兩相流型邊界計算軟件開發

邵 奇

（中國石油大學（北京），北京 102249）

基于Taitel-Dukler方法的氣液兩相流型邊界計算軟件開發

邵 奇

（中國石油大學（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，其現象廣泛存在于石油工業的生產之中。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的運行以及流動特性參數的準確測量。采用Taitel-Dukler方法的流型判別準則應用Java語言開發出流型邊界計算軟件，并用該軟件計算得出的結果繪制流型圖。結果表明：管道向下傾斜將會增強流動型態的層狀化；當管徑變小時，發生流型轉變的氣液相折算速度也較小。

氣液；兩相流；流型；軟件

多相流動的流體運動形式比較復雜，其復雜性主要表現在流型的多變性、能耗增大、相間相互作用強、物性變化臨界值降低、數學描述難度大等方面[1]。

氣液兩相流動是指氣相和液相這兩種流動介質同時存在于同一個流動體系中的流動現象。它是多相流動最為常見的類型之一。氣液兩相流動現象廣泛存在于石油工業的生產之中。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的運行以及流動特性參數的準確測量。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研究的一個重要課題［2］。

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

1 水平氣液兩相流型圖的建立

對于氣液兩相流動型態的確定是計算水平管道兩相流壓降的前提。由于是在主觀觀察的基礎上進行流型的定義,因環境因素、實驗條件存在差異目前尚未建立公認的定義,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以大量實驗和觀察為基礎，在對許多實驗數據進行分析后，總結出了七種流型各自對應的經驗公式，認為流型和氣液流量、氣液物性都有關。目前該流型圖在石油工業中依然被廣泛使用[5]。

1.2 Mandhane流型圖

Mandhane在1974年通過實驗得到的數據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，以液相折算速度為縱坐標，共劃分出六種流型。該流型圖的優點是適用范圍要比Baker流型圖更廣泛，使用者眾多，但缺點是不能體現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驗流型圖，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驗流型圖而言比較全面，因而得到了廣泛的認同。他們把兩相管路的流型分為5種，并假設管內的氣液兩相為一維的穩態流動，從分層流入手，研究流型轉換機理與分界準則，在此基礎上提出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方法流型判別準則

2.1 由分層流轉換成沖擊流或環狀流的判別準則

Taitel和Dukler根據波的穩定性理論，定義了一個判別用的無因次參數F:

由分層流轉變為沖擊流或環狀流，決定式為：

2.2 由沖擊流轉換成環狀流的判別準則

隨著液體流量的增加，分層流發展為環狀流或沖擊流的唯一決定因素是管內的液面高度。Taitel和Dukler提出，如果＜0.5，則分層流轉變為環狀流；如果≥0.5，則轉變為沖擊流。

2.3 由層狀流轉換成波狀流的判別準則

當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根據波產生的條件，定義了一個無因次參數K。

由層狀流轉變為波狀流，決定式為：

2.4 由沖擊流轉換成分散泡狀流判別準則

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，當液體紊流的脈動強度大到足以克服使氣體位于管子頂部的浮力時，則將出現沖擊流向分散泡狀流的轉變。根據這一認識，他們定義了一個判別用的無因次參數T:

由沖擊流轉變為分散泡狀流，決定式為：

根據Taitel和Dukler提出的流型判別的四個準則，筆者應用Java語言編制出氣液兩相流型邊界計算軟件，根據實驗需要輸入合理數據，邊界計算結果如下圖所示。

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

3 計算結果對比分析

3.1 結果準確性驗證

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

為了驗證本軟件計算結果繪制流型圖的準確性，現將計算流型邊界參數繪制的流型圖與通過實驗研究繪制的流型圖進行對比[3]，比較結果如圖 2所示，其中橫坐標為氣相折算速度，縱坐標為液相折算速度，圖中實線部分為通過軟件計算得出的參數繪制的流型轉換邊界。通過對比，可以看出，二者各主要流型間的分界線基本重合，從而驗證了本軟件的準確性。在此基礎上，根據實驗需要應用所開發的計算軟件通過輸入不同的參數值所得出的邊界點繪制出流型圖，以此來得出相應的結論。

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，其余參數氣相取空氣的參數值，液相去水的參數值。通過對下傾角不同的流型圖進行對比可以看出：

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°)

當管道向下傾斜角度增大時將會增強流動型態的層狀化。

3.3 不同管徑流型分布圖繪制

當管段水平時（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)，實線表示50 mm管徑時的流型轉換邊界，虛線表示25 mm的管徑時的流型轉換邊界，通過對比可以得出，當管徑變小時，發生流型轉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 論

筆者將所開發的流型邊界計算軟件得出數據繪制的流型圖與哈爾濱工程大學張金紅所作的氣液兩相流流型實驗觀察的流型圖進行對比，表明各主要流型間的變化趨勢基本符合，從而驗證了本流型邊界計算軟件在一定程度上的準確性。通過單一變量法的應用得出以下結論：

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

（2）通過對管徑不同水平條件下得到的邊界數據所繪制的流型圖進行比較，可以看出，當管徑變小時，發生流型轉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研究[D].南充：西南石油學院, 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].儀器儀表學報, 2003,24(4):432-433.

［3］ 張金紅.氣液兩相流流型實驗研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學,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年畢業于中國石油大學（北京）油氣儲運工程專業，研究方向：從事油氣田地面工程及成品油管道調度方面的研究工作。E-mail：shaoqicool@126.com。