基于密度波理論的油水兩相流測量方法探究

高劍飛

【摘 要】注水油田存在油水兩相流動，通常油水兩相流測量主要通過總流量和持率的測量組合來完成的。論文基于密度波理論的油水兩相流測量方法進行了分析研究。

【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.

【關鍵詞】兩相流；不穩定性；密度波；測量

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

【中圖分類號】TQO359 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2017）12-0179-02

1 引言

在兩相流中的密度變量一般情況下存在兩種傳播形式，一種形式是壓力波，是由于壓縮效應引起的兩相流體混合密度變化產生的波，此種波的傳播速度同時向兩個方向傳播；另一種形式是密度波或空隙度波、運動學波，其是由空隙度變化引起兩相流體混合密度變化而產生的波，該種波傳播只有一個傳播方向。論文基于密度波理論的油水兩相流測量方法進行了分析研究。

目前在總流量的測量中主要是應用渦輪流量計進行測量，但是由于該方法在條件復雜的環境中測量精度不高，加上采用集流型測試儀器只能在特定的含水率較低的環境中進行測量，所以需要創新設計，從而提高油水兩相流測量方法的準確性，更好地進行推廣應用，發揮應有的作用和功能。關于油水兩相流流型方面的研究，國內外有很多的研究成果，主要方法有基于時間序列分析的油水兩相流流型、基于密度波理論的油水兩相流流型研究方法，每種方法都有不同的側重點，各成體系，需要進行具體的模型和參數設置，在進行不斷檢驗分析的基礎上最終確定方法的可行性[1]。

2 兩相流中密度波線性理論分析

2.1 氣液兩相流中密度波的線性理論分析

兩相流管道中的流體變化一般主要表現為兩種不同的形式，一種是密度波，一種是壓力波。密度波與壓力波存在著顯著區別，通常對密度波研究時會將氣相當作不可壓縮來分析和研究。密度波實質上是非線性波，特征線會發生相交。依據密度波的線性解可以推斷其相應的非線性特性。利用簡化的雙流體模型Pauchon和Banerjee，可以實現對單維兩相流進行密度波線性分析。需要指出的是，由于氣泡的加速運動會產生一種虛擬質量力，這是一種附加力，Pauchon和Banerjee使用連續方程和運動方程，并綜合考慮虛擬質量力，較為準確地實現了對氣液兩相流中的密度波進行定量分析。Pauchon和Banerjee的分析表明，有高頻波和低頻波兩種可能的波，一旦達不到密度波傳播的穩定性條件，密度波就會變得不穩定。拉赫易對密度波的兩個特征波速分別作出了分析，他指出相同角頻率的密度波的傳播速度也不完全相同。密度波通常以較大的一種速度傳播，頻率接近零的傳播速度就是威爾士的連續波速；當阻尼較大時密度波會通過較小的一種速度進行傳播，但在試驗中一般很難測出。拉赫易對密度波進行了詳細的分析研究，將密度波分為四種形式，分別是高頻高速波、低頻高速波、高頻低速波和低頻低速波。因為高頻低速波和低頻低速波在平常的試驗中很難測出，高頻高速波、低頻高速波很容易測出，分別對應于Pauchon和Banerjee分析的高頻波和低頻波。分析密度波型脈動性和色散特性等需對密度波線性理論更進一步完善。當前，由于科學的不斷發展和技術水平的不斷提升，氣液兩相流中密度波的研究試驗獲得了極大的進步，波速、頻率、色散性、穩定性等方面的數據資料都日漸豐富。據有關測量結果顯示，高頻波速度快，低頻波速度較慢，高頻波衰減要比低頻波快一些，基本上是非色散波。密度變量通常以低頻波形式進行傳播，密度波是低頻波，頻率僅僅為幾赫茲[2]。雖然經過大量的實驗分析，還需要進一步完善氣液兩相流中線性密度波理論，便于進一步驗證、分析密度波型脈動和密度波的色散特性，使其更科學更準確。

2.2 流化床中密度波的線性理論

氣液兩相流中的密度波與流化床中的密度波有著明顯的不同，氣液兩相流中氣泡與氣泡相互之間作用會造成氣泡聚并，造成密度波不夠穩定；流化床中顆粒間的作用不會造成顆粒聚并，密度波較為穩定。通過大量實驗和公式對波速和波數的計算結果表明，流化床中的密度波基本上是非色散波，也表明了氣液兩相流中的密度波和流化床中的密度波特性有類似之處。需要具體情況具體分析，進而找到和摸索有關的規律，從而確定最終的參數值。

3 密度波的非線性理論

3.1 氣液兩相流中密度波的非線性理論分析

密度波實際上是非線性波，當小擾動密度波出現不穩定的傳播，或兩個小擾動密度波不斷的疊加，將會形成有限振幅波或者激波。利用雙流體模型計算，可以將氣液兩相流中有限振幅密度波的波動方程推導出來，通過波動方程計算表明，有限振幅波或激波與小擾動線性波，它們之間存在著緊密的聯系，當前由于技術理論還沒有達到非常成熟的地步，非線性密度波理論的分析還有待進一步完善，直到目前還沒有成功的試驗來有力佐證。還需要進行不斷探索和研究，進而找出相關的規律，從而提高實證的全面性和科學性。

3.2 流化床中密度波的非線性理論

通過一些學者對流化床中的非線性密度波的研究和分析，流化床密度波的耗散和擴散現象，能有效地穩定波陣面的分布，從而形成不斷相繼變化的激波波陣面，導致流化床處于不穩定狀態。有關研究分析顯示，磁化率與磁場成線性關系，激波以相同的速度向上、下兩個方向進行傳播，這時弱激波的波速就是流化床中氣固混合物的聲速。當前，隨著對流化床中密度波的非線性理論的不斷研究和分析，線性密度波的穩定性、高階波和低階波基本形成了統一的認同。在色散性研究方面，氣液兩相流中的密度波和無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 兩相流流動參數

4.1 兩相流速度場參數

兩相流系統流體存在相間的相對運動，表征兩相流混合流動速度、表征各個分相的實際速度、表觀速度、表征分相速度差異的相對速度、相對速度比等等，都是非常關鍵的參數值，需要認真研究和計算分析，有效提高參數的科學性和準確性。

4.2 兩相流流型

影響兩相流壓力損失和傳熱特性的重要因素很大一部分是因為流型的不同。對兩相流的特征參數進行測量，必須了解兩相流的流型，才能找準相關的規律，進而確定具體的流型，這需要結合具體的情況和環境進行分析和研究，最終確定合適的辨識方法。

5 結語

綜上所述，基于密度波理論的油水兩相流測量方法有多種多樣，內涵豐富，各成系統。密度波是兩相流最基本的特點之一，比壓力波更為常見。兩相流中出現的溢流、流型轉變、密度波型脈動和流化床等現象，都與密度波有關。只有加強油水兩相流測量方法的分析研究，才能更好地提升測量的精度和質量。

【參考文獻】

【1】邢榮亮.基于差壓測量方法的油水兩相流流動特性研究[D].天津：天津大學，2016.

【2】聶向斌.基于密度波理論的油水兩相流測量方法研究[D].大慶：大慶石油學院，2014.

【3】張聰.基于PIV技術的水平管油水兩相流流速測量方法研究[D].秦皇島：燕山大學，2014.endprint