上斜管線兩相流型轉換條件的研究

馬 俊，韋燕蘭

（長江大學石油工程學院，湖北武漢 430100）

近幾十年來，國內外對氣液兩相流的流型及其變化條件進行了廣泛深入的研究，并得到了很多理論和經驗公式以及相應的流型圖。對水平管和豎直管內的流動形態相對較多，而對傾斜管多相流的研究卻較少。國外的研究主要開始于二十世紀七八十年代，Tatel、Dukler 在1976 年對小角度管線的流型進行了初步研究，奠定了理論基礎。隨后Barnea（1980）等[1]進一步加強了對向下、上傾斜管內氣液兩相流型的研究，初步給定了流型轉換的條件。Weisman 和Kang[2]（1981）對小角度傾斜管線內的氣液兩相流型進行了實驗研究。在對管道整個傾角變化范圍內的彈狀流向泡狀流轉變分析方面，Brill 等給出了相應的理論模型。后來Barnea等[3]給出了0～90°的向上傾斜管內流型轉變的數據，并繪制了流型圖。

國內關于傾斜管線流型的研究也相對較少。荊建剛[4]研究了傾角分別為2.5°、10°及20°的流型圖，觀察到了6 種流型，分別描述了其特征并給出了流型之間的轉換條件。曹夏昕[5]進行了傾角為15°和30°的流型研究，給出了相應的流型圖，并與水平管流型進行對比，分析了傾角對于流型的影響。劉曉娟等[6]給出了傾斜井筒不同流型條件下的壓降模型，并進行了應用對比研究。

上面大多數研究的都是小角度管線或微傾斜管線，對傾斜角度相對較大的管線的研究涉及較少。本文對10°、30°、45°和60° 4 種不同傾斜管線內的兩相流型進行了實驗研究，結合實驗數據，分析了流型轉變過程中的特點，給出了相應的流型圖和轉變條件。

1 實驗裝置及實驗方法

本實驗是在長江大學多相流重點實驗室中進行的，其流程圖（見圖1）。實驗管段的內徑為40 mm，長度為10 m，可以通過變換管段角度（10°、30°、45°和60°），實現不同傾角流型的研究。實驗在常溫下進行，氣相體積流量的變化范圍是0 m3/h～80 m3/h，液相體積流量的變化范圍是0 m3/h～10 m3/h。

循環水系統主要由水泵、流量計和調節閥三部分組成，調節閥分為小中大三檔，根據實驗要求變換不同檔位。

空氣供給系統由氣泵、過濾器、減壓閥、壓力表、流量計、逆止閥、閘閥組成。調節閥也分為三個不同的檔位。

計算機采集系統主要搜集的數據為：氣體流量，液體流量，溫度，實驗管段壓力及壓差等。

實驗開始前，首先啟動空壓機，對管路進行吹掃；再啟動水泵將氣液分離并進行導管充水，保持一個恒定的進液量；然后由小到大改變氣體流量。待兩相流量、壓降都相對穩定后開始采集各種工況數據；同時觀察、記錄每個工況下的流型。待氣量達到最大值后，再改變液量，并重復上述工作。最后根據四組實驗數據分別繪制出相應傾角的流型圖，比較不同傾角的流型圖以及流型之間轉換的不同條件，進而得出實驗結果。

圖1 空氣-水兩相流型測試流實驗裝置流程圖

2 實驗結果及分析

2.1 試驗管段中所觀測到的流型及其特征

在傾斜上升管線中，Barnea 將其中的流型劃分為：彌散泡狀流、氣泡流、波狀流、彈狀流和環狀流。曹夏昕[2]將傾斜上升管段流型劃分為兩大類和四小類：連續型（泡狀流、環流）、間歇型（彈狀流、準彈狀流）。根據國內外文獻，傾斜上升管線中的流型主要有：泡流、彈狀流、準彈狀流、環流和霧流。在實驗過程中，所觀測到的流型以及其特征（見圖2）。

圖2 所觀測到的流型及其流動特征

泡流（Bubble Flow）：在氣相相對液相流量較小的情況下會產生泡狀流。基本特征是液相為連續相，大小不一的氣泡分散在液相內。由于重力的作用，氣泡較多的聚集在管段的上端面。氣泡的大小、形狀、頻率、上升速度都隨氣液流速的變化而變化。由于液面湍動的影響，氣泡會發生聚集和一分為二的現象。根據氣液兩相速度的相對大小，泡流又可細分為一般泡流和彌散氣泡流（Dispersed Bubble Flow）。

彈狀流（Slug flow）：這是在流型圖上所占面積區域最大的流型。液相仍為連續相，氣相為非連續相。由于氣相流速的增大，小氣泡不斷聚集到一起形成氣柱，氣柱處于管段的上端，直徑和管線內徑接近或稍小。這種流型最明顯的特征是在氣柱的前端會有很多小氣泡產生。產生的原因是在重力作用下，管線內的液體向下運動，而氣泡由于浮力向上運動，這樣氣柱前端受到液體的沖擊之后就形成了很多小氣泡。

準彈狀流（Churn flow）：這是彈狀流和環流之間的過渡流型，也有的文獻稱之為波狀流。在流型圖上依然占據著較大面積。當氣體流量進一步加大時，氣柱的高速流動會沖垮氣柱之間的液橋，使氣柱之間聯通以形成連續相。但與氣體接觸的液面的波動非常大，就像破浪一樣隨著氣體翻滾前進，管線的某些部位上下波動的液面也會形成液橋將氣柱隔開。由于氣量還不足夠大，下壁面的液體呈現出三種運動趨勢：向下、靜止不動和向上流動。

環狀流（Annular Flow）：其特征是沿管壁周圍有一層液膜，液面較為光滑，沒有明顯的波浪。管線中間是高速流動的氣體，這里液相和氣相都是連續的。由于重力和傾角的影響，下壁面的液膜厚度明顯要大于上壁面。這時候氣量足以攜帶著液體向上運動。由于氣液流速的不同，在氣相主體中會出現不同程度的液滴夾帶或較大的液團，在液膜中也可能夾帶有小氣泡。

霧狀流（Mist Flow）：隨氣體流率的繼續增高，當氣量足夠大時，環狀流可以轉變為霧狀流。現在氣相變為連續相，液相全部以霧滴狀分散在連續的氣相中，氣相以高速度帶動液相流動，液相不會出現向下流動的趨勢。

3 實驗數據分析及實驗結果

本次實驗管線內徑為40 mm，管長為10 m，根據氣液流量，由式（1）可以計算出相應的氣液折算速度。再將相應的氣液折算速度繪于坐標軸上，從而得出相應的流型圖。

式中：Jg、Jw分別為氣、液折算速度，m/s；Qg、Qw分別為氣、液體積流量，m3/s；A-管線橫截面積，m2。

傾角為10°、30°、45°和60°的管段流型圖（見圖3、圖4、圖5 和圖6）。

分析上述4 種傾角的流型圖可知：

傾斜角度的變化對泡狀流型沒有明顯的影響，只是隨著角度增大時，由于重力和浮力作用，氣泡的位置并不僅僅局限于管段上截面，而是逐漸出現在整個管道。由泡狀流轉變為彈狀流過程中，小氣泡不斷聚集為大氣泡，最終形成較大的柱狀泡。由于管柱傾斜的關系，氣柱都靠近管柱的上壁面，隨著傾角的增大，彈狀流和準彈狀流流型都向流型圖的右側延伸，也就是說傾角越大，由彈狀流向準彈狀流、準彈狀流向環流過渡所需的氣量增大。無論傾斜角度多大，彈狀流和準彈狀流都占據著流型圖中的絕大部分面積，為主要流型。當氣量進一步增大后，準彈狀流會轉變為環流，從圖中可以看出隨著傾角的增大，準彈狀流轉變為環流所需的氣量也相應增大了。

當管線的傾斜角度為10°，管線中為準彈狀流時，有時會出現波狀分層流的現象，液相與氣相暫時都成為了連續相。根據Weisman 等的結論，當傾角θ＞sin-1（D/L），光滑分層流就消失了，其主要原因是液相重力沿管線方向的分力與液相流動方向相反，阻礙了分層流的產生。但是在大于這個角度的某個范圍內可能還存在著波狀分層流。這表明本實驗與其結論是吻合的。

圖3 當傾角為10°時的流型圖

圖4 當傾角為30°時的流型圖

圖5 當傾角為45°時的流型圖

圖6 當傾角為60°時的流型圖

因此，可以得出如下結論：隨著傾角的逐漸增大，由一種流型過渡為另一種流型所需的氣量變大。因為不同傾斜角度下，重力梯度中的持液率和摩擦梯度中的摩擦系數不同。隨著傾角增加，液相倒流的趨勢加強，使得氣相在管線中的流動阻力增大，只有通過增加氣量，增加氣相的慣性力，才能夠克服逆流的液相阻力，實現流型之間的轉換。

通過對實驗數據的處理分析，可以得到管徑為40 mm 在不同傾角下的流型轉變條件：

（1）泡流和彈狀流的轉變界限為：

（2）準彈狀流和環流的轉變界限為：

式中，Vsg-氣相折算流速；Vsl-液相折算流速；σ-氣液表面張力；θ-管線傾角；ρg-空氣密度；ρl-液體密度；D-管線直徑；g-重力加速度。

不同流型下的流動阻力可能相差幾倍甚至幾十倍，同時流型也影響著流體流動時的壓力損失、熱交換系數以及截面含氣率等等，因此不同的流型對管線中的流動情況有著極大地影響。通過對氣-液兩相流流型轉換條件的研究，將能夠可以通過改變氣、液流量來控制各種條件下管線中的流態，這對于減小石油天然氣的鉆采和儲運過程中熱能損失、壓力損失有著重要作用，對相應的工業設備設計及提高其運行效率、安全可靠性，能源的節約等，也起著至關重要的作用。

4 結論

（1）在管徑為40 mm，傾角分別為10°、30°、45°和60°的管線中，主要存在著泡狀流、準彈狀流、彈狀流、環流和霧流五種流型。其中彈狀流和準彈狀流占據著流型圖的較大區域，是最主要的流型。

（2）當管線傾斜角度超過10°后，分層流消失，但是管線中依稀存在著波狀分層流，當傾斜角度達到30°后，波狀分層流也隨之消失。由泡狀流直接過渡為彈狀流。

（3）整體上，隨著傾斜角度的增大，流型轉換所需要的氣相流量增加，流型圖整體右移。但是不同流型之間的轉換對氣量的敏感性不同。傾角對泡流的影響較小，對彈狀流和準彈狀流的影響相對較大。

［1］ Barnea D，Shoham O，et al. Flow Pattern Transition for Gas·Liquid Flow in Horizontal and Inclined Pipes，Int［J］.Multiphase Flow，1980：217-225.

［2］ Weisman J，Kang S. Y. Flow pattern transitions in vertical and upwardly inclined lines. Int ［J］.Multiphase Flow，1981，7：271-291.

［3］ Branea D et al. Gas-liquid flow in inclined tubes，Flow pattern transitions for upward flow ［J］.Chem Engng Sci，1985，40（1）：131-136.

［4］ 荊建剛，張鳴遠，陳學俊.傾斜管內氣液兩相上升流動流型轉變的研究［J］.西安交通大學學報，1994，28（5）：143-150.

［5］ 曹夏昕，閻昌琪.傾斜管內氣液兩相流流型的實驗研究［J］.核動力工程，2005，26（6）：572-575.

［6］ 劉曉娟，胥元剛，彭媛媛.傾斜井筒氣液兩相流的模型化方法［J］.石油鉆采工藝，2005，3（6）：52-57.