多相流基础 chapter 2-two-phase flow patterns and flow pattern maps
第二讲：多相管流-全中文
SWPU Southwest Petroleum Institute, Chengdu, P.R.China
Department of Petroleum Engineering
（一）垂直管气液两相流流态特征
4、过渡流（transition flow）
液相从连续相过渡到分散相，气相从分散相过渡到连续相，气 体连续向上流动并举升液体，有部分液体下落、聚集，而后又 被气体举升。这种混杂的、振荡式的液体运动是过渡流的特征， 故也称之为搅动流。
井底压力Pwf：原油流入井底的剩余能量，是举升原油的动力 井口油压Pwh：多相管流的剩余能量，地面管流的动力。（Pt）
Pb
SWPU Southwest Petroleum Institute, Chengdu, P.R.China
Department of Petroleum Engineering
SWPU Southwest Petroleum Institute, Chengdu, P.R.China
Department of Petroleum Engineering
《采油工程》主要内容
第一章 第二章 第三章 油井基本流动规律(12) 自喷与气举采油 (6) 有杆泵采油(12)
1、学时分配64 - 教学学时 - 实验学时 - 自学 2、内容分配 3、课堂纪律 4、考核方法 - 考勤 - 作业 - 笔试
q UG G 滑脱速度：US=UG-UL AG q UL L AL
AL
AG
AG、qG、UG——分别表示单位管段上气相所占的截面积、流量和真实速度； AL、qL、UL——分别表示单位管段上液相所占的截面积、流量和真实速度。
SWPU Southwest Petroleum Institute, Chengdu, P.R.China
气液两相流 第2章-两相流的基本理论
x
1 (1 x)
G G
• 对于均相流动，考虑流体流过微元流道的平衡方程式，设流道截面积为A， 与水平面的倾斜角为θ。
• 针对最普遍问题，不做任何简化：非稳态、非等截面、有换热、有内热生成
• 2.4管内气液两相流的基本ห้องสมุดไป่ตู้程
q
z
qv
Vm
A
p
θ
τ0
q －经流道壁面进入系统的热流密度，W/m2 qv－单位体积的内热发生率，J/m3·s P － 流道周界长度
2.1管内气液两相流的基本参数
7、气相（真实平均）速度VG、液相（真实平均）速度VL（actual velocity） m/s VG=QG/AG, VL=QL/AL 事实上，它们是各相在其所占截面上的平均速度，真正的两相流 速应当是截面上各流体质点的速度---局部速度。
8、折算速度VSG、VSL(Superficial gas/liquid velocity) m/s VSG:假定气相单独流过管道整个截面时的流速（即折算到整个截面上） VSG=QG/A, VSL: VSL=QL/A (VSG=QG/A＝QG/(AG/α)=α·VG； VSL＝（1－α）·VL
2.1管内气液两相流的基本参数
3、质量含气率x（mass fraction of the gas phase）
流过某一截面的气相质量流量占两相总质量流量的份额。
x WG WG W WG WL
WG x W WL (1 x) W
质量含液率为：
1 x WL WG WL
单组份气液两相流的质量含气率x也称为干度（Dryness、Quality）。
2.1管内气液两相流的基本参数
⑴真实密度（又称分相流密度）
多相流基础 chapter 2-two-phase flow patterns and flow pattern maps
Some small gas bubbles distributed throughout the liquid phase.
（3）Churn flow（搅拌流，块状流） Highly unstable flow， oscillatory flow the shape of gas bubbles is not regular Liquid near the tube wall continually pulses up and down
（3）Stratified flow（光滑分层流）
Gas and liquid phase have obvious interface The gas-liquid interface is smooth This flow pattern does not usually occur Gas and liquid phase are both continuous phase
—— These names of flow pattern mentioned before are main flow patterns and relatively recognized accepted to us.
—— Further general details about flow patterns can be found in Collier and Thome(1994) and Hewitt(1982).
多相流动的基本理论
颗粒随机轨道模型。
•考虑到湍流脉动对颗粒轨迹造成的影响，
•Yuu等[142]首先提出了涡作用模型。 •在经过Gosman等[143]和Berlemont等[144]改进以 后，得到了广泛的应用。 •Sommerfeld[145]和Shuen[146]等采用此模型进行 数值求解，得到了比较满意的结果。 •浙江大学热能工程研究所的岑可法院士和樊建人 教授[147]提出的随机频谱颗粒轨道（FSRT）模型，
•前提：
•在流体中弥散的颗粒相也是一种连续的流体； •气相和颗粒相是两种相互渗透的连续相，各 自满足连续性方程、动量方程和能量守恒方 程。
多相流体动力学
无滑移模型（No-slip Model)
•基本假设：
• 颗粒群看作连续介质，颗粒群只有尺寸差别，不 同尺寸代表不同相；
• 颗粒与流体相间无相对速度； • 各颗粒相的湍流扩散系数取流体相扩散系数相等； • 相间相互作用等同于流体混合物间各成分相互作
多相流体动力学
主要内容（气固多相流）
长期以来，气固两相流动的研究中按照对颗粒的处理方 式不同，主要有两大类模型
离散介质模型 连续介质模型
单颗粒动力学模型（SPD模型）
颗粒轨道模型（PT模型）
确定轨道模型 随机轨道模型
小滑移模型（SS模型）
无滑移模型（NS模型）
拟流体（多流体）模型（MF模型）
多相流体动力学
s
s
d
s
g
0
(1
e)(
T
)
1 2
固相的体积粘度
s
4 3
s
s
d
s
g0 (1
多相流动的基础知识和数值模拟方法
多相流动的基础知识和数值模拟方法多相流动是指在同一空间中存在两种及以上物质的流动现象。
在工程领域中，多相流动具有广泛应用，如化工反应器中的气液流动、石油勘探中的油水混合流动等。
本文将介绍多相流动的基础知识，并探讨一些常用的数值模拟方法。
一、多相流动的分类多相流动可以根据不同的分类标准进行分类，常见的分类方法包括：1.根据组分：固液流动、气液流动、固气流动等；2.根据速度：稳定流动、不稳定流动、湍流等；3.根据形态：离散相、连续相、两相界面等。
二、多相流动的基础知识1.多相流动的基本方程多相流动的基本方程包括连续性方程、动量方程和能量方程。
在连续性方程中，考虑到多相流动中各相的质量守恒关系；在动量方程中，引入各相之间的相互作用力和速度差等因素；在能量方程中，考虑到各相之间的相变、传热等现象。
2.多相流动的相互作用多相流动中的不同相之间存在相互作用力，如液固两相之间的颗粒间碰撞力、气液两相之间的表面张力等。
这些相互作用力对多相流动的行为和特性具有重要影响。
3.多相流动的模型为了更好地描述多相流动的行为，研究者们提出了多种多相流动模型，如两流体模型、Eulerian-Eulerian模型和Eulerian-Lagrangian模型等。
不同的模型适用于不同的多相流动情况，选择合适的模型对于准确描述多相流动至关重要。
三、多相流动的数值模拟方法数值模拟是研究多相流动的重要手段之一，常用的数值模拟方法包括：1.有限体积法有限体积法是常用的求解多相流动的数值方法之一，它将流动域划分为网格单元，通过离散化各个方程，利用差分格式求解模拟区域内的物理量。
2.多尺度方法多尺度方法考虑到多相流动中存在不同尺度的现象和作用力，通过将流动域划分为不同的区域进行求解，以更好地描述多相流动的行为。
常见的多尺度方法有多尺度网格方法和多尺度时间方法。
3.相场方法相场方法是一种常用的描述多相流动界面的方法，它通过引入相场函数来表示相界面，并利用Cahn-Hilliard方程等对相场函数进行求解，从而获得界面位置和形状等信息。
第三章 多相流流型及判别方法
第一节 描述多相流的主要参数及其计算公式
以最常见的气液两相流（其它多相流可类推）为例，描述多相流的各 种参数有： 一、流量 （一）质量流量 单位时间内流过管路横截面的流体质量称为质量流量。对于气液两相 混输管路有： G Gg Gl
多相混输技术的研究及其应用 2013-7-11 1
第三章 多相流流型及判别方法
1.E+01
1.E+02
1.E+03
1.E+04
G lθ ψ /G g ，无因次
图3-14 贝克流型分界图
多相混输技术的研究及其应用 2013-7-11 22
第三章 多相流流型及判别方法
为了便于在计算机上使用，可用圆锥曲线和直线对各流型分界线进 行回归，得到各流型的分界线： 1）分界曲线C1~C4的方程： t1 s1 C1: y 3.81875 0.9419619 其中： t1 = -0.2416111x-0.3066479 s1 = t 12 -1.88392(-0.03503182x+0.0009900329)(x+1) t s2 y 3.95 2 C2: 1.253512
（二）体积流量 单位时间内流过管路横截面的流体体积称为体积流量。对于气液两相混 输管路有：
Q Qg Ql
二、流速 （一）气相和液相速度 气相速度： 液相速度：
wg
Qg Ag
wl
Ql Al
（二）气相和液相的折算速度 气相折算速度：
多相混输技术的研究及其应用 2013-7-11 2
第三章 多相流流型及判别方法
（二）麦克达姆（MeAdam）计算式：
1
m
x
g
1 x
多相流体力学
多相流体力学多相流体力学fluid dynamics of multiphase systems研究同种或异种化学成分物质的固-气、液、-气、液－液或固－液－气系统共同流动规律的学科。
“相”(phase)可以指不同的热力学集态(固、液、气等),也可以指同一集态下不同的物理性质或力学状态（同一地点不同尺寸和速度或不同材料密度的颗粒或气泡等）。
多相流动广泛存在于自然界和工程设备中，如含尘埃的大气和云雾、含沙水流、各种喷雾冷却、粉末喷涂、血管流、含固体粉末的火箭尾气、炮膛内火药颗粒及其燃烧产物的流动等。
就大量工程问题而言，多相流体力学主要应用于粉粒物料的管道输送、颗粒分离和除尘、液雾和煤粉悬浮体燃烧及气化、流化床和流化床燃烧以及锅炉、反应堆、化工、冶炼及采油等装置中气－液流动等方面，其目的是节省管道输送能量，提高分离或除尘效率，改善传热传质或燃烧中颗粒混合，改善锅炉中水循环，提高反应堆冷却的安全性等。
多相流体力学的研究对象是探讨流场中各个相的速度、压力、温度、组分浓度、体积分数、相和相之间的相互作用以及各相与壁面间相互作用，以便弄清其中的动量传递、传热、传质、化学反应，甚至电磁效应的规律。
研究内容多相流体力学主要分成气-固多相(或两相)流和气-液两相流两个较大的分支。
多相流体力学研究的根本出发点是建立多相流模型和基本方程组。
在此基础上分析各相的压力、速度、温度、表观密度和体积分数、气泡或颗粒尺寸分布、相间相互作用（如气泡或颗粒的阻力与传热传质）、颗粒湍流扩散、流型、压力降、截面含气率、流动稳定性、流动的临界态等。
多相流体力学的模型和基本方程组描述多相流体可用不同的模型。
对各相尺寸均较大（与流动的几何尺寸相比）的体系，可对各相内部分别运用单向流体力学的模型写出其各自的基本方程组。
若分散相的尺寸不太大，一般用体积平均概念，即认为各项占据同一空间并且相互渗透。
这种情况下可采取统一的连续介质模型来描述多相流，其中又可以分成无相间滑移的单流体模型(这时不同的相只看成是流体的不同组合)和有滑移的多流体模型或双流体模型。
两相流、多相流讲课讲稿
两相流、多相流两相流的概念及类型两相物质(至少一相为流体)所组成的流动系统。
若流动系统中物质的相态多于两个，则称为多相流，两相或多相流是化工生产中为完成相际传质和反应过程所涉及的最普遍的粘性流体流动。
通常根据构成系统的相态分为气液系、液液系、液固系、气固系等。
气相和液相可以以连续相形式出现，如气体-液膜系统；也可以以离散的形式出现,如气泡-液体系统，液滴-液体系统。
固相通常以颗粒或团块的形式处于两相流中。
两相流的流动形态有多种。
除了同单相流动那样区分为层流和湍流外，还可以依据两相相对含量（常称为相比）、相界面的分布特性、运动速度、流场几何条件（管内、多孔板上、沿壁面等）划分流动形态。
对于管内气液系统，随两相速度的变化，可产生气泡流、塞状流、层状流、波状流、冲击流、环状流、雾状流等形态；对于多孔板上气液系可以产生自由分散的气泡、蜂窝状泡沫、活动泡沫、喷雾等形态。
两相流研究的一个基本课题是判断流动形态及其相互转变。
流动形态不同，则热量传递和质量传递的机理和影响因素也不同。
例如多孔板上气液两相处于鼓泡状态时，正系统混合物（浓度增加时表面张力减低）的板效率(见级效率)高于负系统混合物（浓度增加时表面张力增加）；而喷射状态下恰好相反。
两相流研究的另一个基本课题，是关于分散相在连续相中的运动规律及其对传递和反应过程的影响。
当分散相液滴或气泡时，有很多特点。
例如液滴和气泡在运动中会变形，在液滴或气泡内出现环流，界面上有波动，表面张力梯度会造成复杂的表面运动等。
这些都会影响传质通量，进而影响设备的性能。
两相流研究的课题，还有两相流系统的摩擦阻力，系统的振荡和稳定性等。
两相流研究模型两相流的理论分析比单相流困难得多，描述两相流的通用微分方程组至今尚未建立。
大量理论工作采用的是两类简化模型：①均相模型。
将两相介质看成是一种混合得非常均匀的混合物，假定处理单相流动的概念和方法仍然适用于两相流，但须对它的物理性质及传递性质作合理的假定；②分相模型。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Tip：the types of flow patterns increase in heating channel when heat flux increases.
6、Flow patterns in horizontal tubes， heating up flow（水平管内两相流型，加热流 ）
（1）Bubbly flow（泡状流）
Liquid phase is the continuous phase Gas or vapor phase is the dispersed phase Gas or vapor bubbles are of approximately uniform size.
5、Flow patterns in vertical upward tubes ——gas and liquid phase both flowing upwards，heating up flow（垂直上升管内的流型 —— 气液两相均向上流 ，加热流）
Heat addition Phase change More complicated than adiabatic flow The evolvement of flow patterns are greatly affected by the heat flux（热流密度）
（4）Annular flow（环状流）
Gas flows in the center of the tube
Liquid partially flows as an annular film on the walls of the tube Liquid partially flows as small droplets distributed in the gas flowing in the center of the tube
（5）Slug flow（弹状流）
the upper wall of the tube is alternatively flowing by the gas bubble and liquid phase the wave amplitude is so large that the wave touches the top of the tube Attention: The difference between slug flow and plug flow is: The upper wall of gas bubble has no liquid film in slug
Gas velocity is bigger than the stratified flow Gas and liquid phase are both continuous phase Gas phase flows above and liquid phase flows below
Comparisons of gas-liquid two-phase flow patterns in horizontal tube with whole gravity and small gravity（地 球重力和微重力条件下水平管内气液两相流型的比较）
—— Many investigators also defined other flow patterns, and nearly a hundred different names have been used.
Churn flow
Annular flow
—— The flow patterns of steam-water twophase flow in the tube when heat flux increases are as follows:
xx denotes ONB （onset of nuclear boiling） yy denotes onset of annular flow region zz denotes the point of CHF（ Critical heat flux ），it is a very dangerous point
2、Important physical parameters in determining the fsion（表面张力）
Keep channels walls always wet Make small liquid drops and small gas bubbles spherical —— gravity（重力） Tends to pull the liquid to the bottom of the channel especially in non-vertical channel
Adaptive to low velocity Subjective Transparent tubes required
1 single liquid phase；2 bubbly flow；3 plug flow； 4 slug flow；5 wavy flow；6 annular flow
The determination or identification methods of Flow patterns（流型确定或流型识别的方法）
flow, but it has liquid film in plug flow.
（6）Annular flow（环状流）
Gas velocity is big enough Gas flows in the center of the tube Liquid partially flows as an annular film on the walls of the tube Liquid partially flows as small droplets distributed in the gas flowing in the center of the tube The liquid film at the bottom of the tube is much thicker than at the top
4、Flow patterns in horizontal tubes， adiabatic flow（水平管内两相流型，绝热流）
——When the quality is gradually increased from 0 to 1, the flow patterns can be classified: （1）Bubbly flow（泡状流） Low quality and low velocity
Gas phase flows above and liquid phase flows below
（4）Wavy flow（波状分层流）
Gas and liquid phase have obvious interface
The gas-liquid interface is wavy
……
3、Flow patterns in vertical upward tubes —— gas and liquid phase both flowing upwards， adiabatic flow（垂直上升管内的流型 —— 气液两相 均向上流，绝热流）
——When the quality is gradually increased from 0 to 1, the flow patterns can be classified:
Some small gas bubbles distributed throughout the liquid phase.
（3）Churn flow（搅拌流，块状流） Highly unstable flow， oscillatory flow the shape of gas bubbles is not regular Liquid near the tube wall continually pulses up and down
Liquid is the continuous phase
Gas or vapor phase is the dispersed phase near the top of the tube
（2）Plug flow（塞状流、间歇流）
Bigger quality and low velocity Individual small gas bubbles coalesce to produce long plugs Gas bubbles still tend to flow along the top of the tube
—— From bottom to top, the flow patterns of steam-water two-phase flow in the tube take turns as follows:
Single phase flow
Bubbly flow Slug flow
（3）Stratified flow（光滑分层流）
Gas and liquid phase have obvious interface The gas-liquid interface is smooth This flow pattern does not usually occur Gas and liquid phase are both continuous phase
（2）Plug flow or Slug flow（弹状流） Gas flows as large bulletshaped bubbles（sometimes called Taylor bubble） Gas bubble and liquid slug flow across tube alternatively