两相流整理
气液两相流 整理
第一章概论相的概念：相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部分，与体系的其它均匀部分有界面隔开两相流动的处理方法：双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理模型是多相管流研究的主要方法目前研究存在的问题：1、多相流问题未得到解析解；2、油气水三相流的研究不够深入；3、水平井段变质量流动研究较少；4、缺乏向下流动的综合机理模型；5、缺乏专用研究仪器气液两相流的分类：1、细分散体系：细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中2、粗分散体系：较大的气泡或液滴分散在连续相中3、混合流动型：两相均非连续相4、分层流动：两相均为连续相气液两相流的基本特征：1、体系中存在相界面：两相之间也存在力的作用，出现质量和能量的交换时伴随着机械能的损失2、两相的分布情况多种多样：两相流动中两相介质的分布称为流型3、两相流动中存在滑脱现象：相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失4、沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变气液两相流研究方法：1、经验方法：从气液两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者根据流动的基本微分方程式，得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后依据实验数据整理出描述这一流动过程的经验关系式。
优点：使用方便，在一定条件下能取得好的结果缺点：使用有局限性，且很难从其中得出更深层次的关系2、半经验方法：根据所研究的气液两相流动过程的特点，采用适当的假设和简化，再从两相流动的基本方程式出发，求得描述这一流动过程的函数关系式，最后用实验方法确定出函数关系式中的经验系数。
优点：有一定的理论基础，应用广泛缺点：存在简化和假设，具有不准确性3、理论分析方法：针对各种流动过程的特点，应用流体力学方法对其流动特性进行分析，进而建立起描述这一流动过程的解析关系式。
优点：以理论分析为基础，可以得到解析关系式缺点：建立关系式困难，求解复杂研究气液两相流应考虑的几个问题：1、不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流2、水平或倾斜流动是轴不对称的3、由于相界面的存在增加了研究的复杂性4、总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题5、多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，相之间有传热和传质6、各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心与重点流动型态：相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动结构流型图：描述流型变化及其界限的图。
汽液两相流复习纲要
汽液两相流复习纲要1、质量含气率x：单位时间内流过通道某一截面的两相流体总质量中气相所占的比例份额。
2、容积含气率β：单位时间内流过通道某一截面的两相流总容积中，气相所占的比例份额。
3、截面含气率α（空泡份额）：两相流中某一截面上，气相所占截面与总流道截面之比。
4、容积含气率β与截面含气率α的区别：β是容积流量比，表示流过通道截面的气相容积份额。
α是体积比，表示存在于流道中的气相容积份额。
由于气液两相介质的流速并不相同，故二者不等。
5、两相流的总质量流量：单位时间内流过任一流道截面的汽液混合物的总质量。
6、质量流速G：流道单位截面通过的质量流量。
7、容积流量V：单位时间内流经通道任一流通截面的汽液混合物的容积。
8、折算速度j：单位流道截面上的两相流容积流量，也表示两相流平均流速。
9、气（液）相折算速度：意义是假定两相介质中的气（液）相单独通过同一通道时的速度。
10、漂移速度：各项的真实速度与两相混合物平均速度的差值。
11、漂移通量：表示各相相对于平均速度j运动的截面所流过的体积通量。
12、循环速度：与两相混合物总质量流量相等的液相介质流过同一截面通道时的速度。
13、循环倍率K：单位时间内流过截面某一通道的两相介质总质量与其中气相质量之比。
物理意义是：循环多少次全部变成蒸汽。
14、两相介质的流动密度：单位时间内流过流道某一截面的两相介质质量和体积之比。
15、两相介质的比容：单位时间内流过流道某一截面的两相介质体积和质量之比。
16、什么叫流型？其影响因素有哪些？两相流的流型是指汽（气）液两相流动中两相介质的分布状况。
影响因素：1质量含气率、压力、质量流速、流速2流道是否存在热交换3流道结构4流动方向。
17、垂直上升不加热管的流动形式？什么是泡状流、弹状流、环状流？五种流型：泡状流、弹状流、乳沫状流、环状流、细束环状流；泡状流特征：1气相不连续，液相连续；2气泡大多是圆球形；3管道中部气泡密度较大；4出现范围：低含气率区（一般阿尔法小于0.3）弹状流特征：1大气泡与大液块相间出现，且呈弹状；2气泡与壁面被液膜隔开；3大气泡尾部常出现许多小气泡；4出现范围：中等截面含气率和流速相对较低的情况下。
两相流
井筒两相流 一、流动型态
油气水混合物在井筒中的 流动型态大致可以分为以 下五种： •1、泡状流 •2、段塞流 •3、过渡流 •4、环状流 •5、雾状流
井筒两相流
1 泡状流
井筒内流体的压力稍 低于饱和压力，少量的 气体从油气中分离出来， 以小气泡的形式分散于 油中
பைடு நூலகம்
井筒两相流
2 段塞流 井筒内流体压力进一步降低，气体继续分 离出来，并且进一步膨胀，且炮弹形大气 泡形成气体柱塞，使井筒内出现一段液体、 一段气体的柱塞状流动 气体段塞对液体举升有很大作用，气体的 膨胀能量得到充分的利用。但是，这种气 体段塞好像不严密的活塞，在举液过程中， 部分已被上举的液体又沿着气体段塞的边 缘滑脱下来，因此仍有一定的滑脱损失
井筒两相流
3 过渡流
井筒两相流
4 环状流
随着气体的继续分离和膨胀，气体段塞不断加长而 突破液体柱塞，形成中间为连续气体，管壁附近为 环形液流的流动型态
井筒两相流
5 雾状流 气体的量继续增加时，中间的气 柱几乎完全占据了井筒的横断面， 液体呈滴状分散在气柱之中，由 于液体被高速的气流所携带，所 以几乎没有什么滑脱损失。此时， 气体的速度增加很快，开始出现 明显的加速度损失。
第十章两相流动理论基础
第十章 两相流动理论基础
本章介绍两相流动的基本概念、基本方程及一些处理方法。 鉴于两相流动的复杂性、多样性和多变性，深入分析所涉及的知 识十分广泛，这里仅介绍常见的两相流动现象及确定一些重要参 数的简单方法，为进一步深入分析研究两相流动奠定基本的理论 基础。
2
§10-1 两相流动概述
所谓“相”是指物质存在的形态。通常有固、液、气三 相。任何两相或两相以上不相溶物质的混合流动，统称为多 相流动。多相流动是自然界、人类日常生活和许多工程中常 见的流动现象。如自然界的云、雾、雨、雪现象，大气中的 烟尘、水流中的泥沙、生物体内的血液流动、发动机、锅炉 中的燃烧、发电、制冷和蒸馏过程中的蒸发、凝结循环系统 中的流动，石油、天然气的开采和输送，化工生产中各种炉 、塔中物质的流化，采矿工业中的选矿，环保工业中的除尘 等等。
9
1、自由沉降末速
球形颗粒在静止流体中沉降时，所受到的作用力有：
重力
W
d
3 s
6
gs
浮力
Wb
d
3 s
6
g
阻力 R rds2u2
则颗粒的运动方程为W
Wb
R
m
du dt
,
代入三个力的表达式
得
d
3 s
6
(rs
r) rds2u2
d
3 s
6
rs
du dt
,
则 du rs r g 6u2r
dt rs
ds rs
3
两相流动根据物质的状态可分为三类：气—液两相流； 液—固两相流；气—固两相流；由于气—液两相流涉及热力 学较多的知识，故本章重点介绍液—固两相流和气—固两相 流的相关知识。
4
8 两相流动
2
浮力 Fb 与流体运动无关
2010/4/26
流体对颗粒的形体曳力 Fp 正比于流速 u — — 形体曳力(Form drag)
5
曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient） 流体流动对颗粒表面的总曳力为摩擦曳力与形体曳力之和
u p u ut
u = 0，up = ut 流体静止，颗粒向下运动； up = 0，u = ut ，颗粒静止地悬浮在流体中； u > ut ， up > 0， 颗粒向上运动； u < ut ， up < 0，颗粒向下运动。
2010/4/26 13
沉降速度的求法：
求沉降速度通常采用试差法。 ① 假设流体流动类型； ② 计算沉降速度； ③ 计算Re，验证与假设是否相符； ④ 如果不相符，则转①。如果相符，OK !
2010/4/26
2
— — 表面曳力 (Wall drag)4
曳力与曳力系数（Drag and drag coefficient） 流体静压强对整个球体表面的作用力在流动方向上的分量为
Fn d cos p
2
0
0
r R
R
2
sin d
3 u d p0 gR cos cos R 2 sin cos d 2 R 0 0
A
ap a
非球形颗粒4个几何参数之间的关系
d eV A d eA
d ea d eV
2
工程上多采用可以测量的等体积当量直径 deV 和具有直观意 2010/4/26 15 义的形状系数A。
5.3两相流
两相流的均匀流模型
两相流的均匀流模型是把气（汽）－液两相混 合物看作一种均匀介质，其流动特性参量取两Leabharlann 相的相应参量的平均值。均匀流模型假定：
(1) 气（汽）相和液相的速度相等，即S＝1；
(2) 两相之间处于热力学平衡态，即TL＝TG； (3) 摩擦系数使用单相流的公式计算。
均匀流模型把复杂的两相流动作为单相流动处理，掩 盖了两相流中的一些复杂的问题。因此这种模型比较 粗糙，适用于两相质量流密度较大和压力较高的情况， 符合泡状流型，沫状和雾状流型。
L 1 x ( 1 ) G
两相流的局部压降
孔板 管道 uG uL
孔板
uG A uL A0 AC
pTP 1.26 pL pG
2
1 L 1) 1 x( 2 L A2 A1 A2 G
2
pE ,TP
m2 1 1 L 1) 1 x( 2 L A1 A2 G
两相流的局部压降-截面突然缩小
说明：两相流在流经突然 缩小的截面时，有一个 静压力降。
1 vf 1 x 1 S x v g 1 1 x 1 x
xe
H H
fs
H fg
描述两相流的特征参量2
折算速度：假定两 相流中的某一相介 质单独流过该通道 截面积A时的速度。 两相混合物速度
两相流基本方程二：动量守恒方程
dp dp dp dp dz dz F dz A dz G
摩擦压 力梯度
加速速度 压力梯度
重力压 力梯度
两相流基本方程三：能量守恒方程
气液两相流整理
第一章概论相的概念：相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部分，与体系的其它均匀部分有界面隔开两相流动的处理方法：双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理模型是多相管流研究的主要方法目前研究存在的问题：1、多相流问题未得到解析解；2、油气水三相流的研究不够深入；3、水平井段变质量流动研究较少；4、缺乏向下流动的综合机理模型；5、缺乏专用研究仪器气液两相流的分类：1、细分散体系：细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中2、粗分散体系：较大的气泡或液滴分散在连续相中3、混合流动型：两相均非连续相4、分层流动：两相均为连续相气液两相流的基本特征：1、体系中存在相界面：两相之间也存在力的作用，出现质量和能量的交换时伴随着机械能的损失2、两相的分布情况多种多样：两相流动中两相介质的分布称为流型3、两相流动中存在滑脱现象：相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失4、沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变气液两相流研究方法：1、经验方法：从气液两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者根据流动的基本微分方程式，得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后依据实验数据整理出描述这一流动过程的经验关系式。
优点：使用方便，在一定条件下能取得好的结果缺点：使用有局限性，且很难从其中得出更深层次的关系2、半经验方法：根据所研究的气液两相流动过程的特点，采用适当的假设和简化，再从两相流动的基本方程式出发，求得描述这一流动过程的函数关系式，最后用实验方法确定出函数关系式中的经验系数。
优点：有一定的理论基础，应用广泛缺点：存在简化和假设，具有不准确性3、理论分析方法：针对各种流动过程的特点，应用流体力学方法对其流动特性进行分析，进而建立起描述这一流动过程的解析关系式。
优点：以理论分析为基础，可以得到解析关系式缺点：建立关系式困难，求解复杂研究气液两相流应考虑的几个问题：1、不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流2、水平或倾斜流动是轴不对称的3、由于相界面的存在增加了研究的复杂性4、总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题5、多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，相之间有传热和传质6、各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心与重点流动型态：相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动结构流型图：描述流型变化及其界限的图。
两相流学习总结
两相流学习总结首先我们学习了两相流的简介，了解了一些关于两相流的基本知识。
相的概念，相是具有相同成分和相同物理、化学性质的均匀物质部分,即相是物质的单一状态,如固态、液态和气态。
在两相流动的研究中通常称为固相、液相和气相。
相与组分的联系和区别，首先组分是指混合物（包括溶液）中的各个成分，组分与相没有明显的联系。
两相流（多相流）的概念，两相流是指物质两相同时并存且具有明显相界面的混合流动。
多相流是指多相流.相的判断，判别单相体系和两相体系主要依据以下两条，是否系统内的各部分的性质均匀，是否存在明显的相间界面。
两相流的研究方法有：理论分析法、数值计算法、实验研究法。
通过对两相流的一些初步的了解，我们发现两相流由于其故有的复杂性、多样性和测量手段的局限性，到目前为止，无论是在理论上还是在方法上，这一研究尚处于发展阶段，而且在今后一个较长的时间内，将继续是一个各抒己见，实验性强，充满着机会和突破的学术领域。
然后我们学习了两相流的各种流型，在此我们引入两种对两相流的分类方式，第一，根据两相之间界面结构的不同，具体分类为下面显示部分，在此各种流型的图就不再一一列举了。
第二，根据混合物两个组成部分的物质状态和状态的差异来分类接下来，我们学习了稀疏和稠密的悬浮体两相流，1.相密度ρk ：该相的质量 k m σ同该相的体积之比 k V σ；kk k V m σσρ=2.分密度k θ：某一相k 的分密度是该相的质量 k m σ 同混合物体积V σ 之比；V m k k σσθ= 3.质量分数 k ϕ：混合物中，相k 的质量k m σ与混合物质量 m σ之比；mm k k σσϕ=4.4.体积分数k α：混合物体积 V σ中，相k 所占的体积k V σ的份额；k k V V σσα= 两相流的基本方程：1、多组分气体的基本关系式，应用Reynolds 输运定理，可得基本守恒方程组（包括：连续方程，动量方程，扩散方程，能量方程，反应率方程，状态方程）2、定常、二维层流边界层方程3、相内的‘微观’守恒方程将单向流动的基本守恒定律应用于第k 相的微观体积dVk 中，在低马赫数和各项比热为常数的条件下，欧拉坐标下k 相内的微观守恒方程可写为：11==∑∑k kk k ϕα其中，~表示相内的“微观”真实值， 分布是反应放热和辐射传热，Y ks 是k 相 s 组分的质量分数，ks 是k 相s 组分的反应率。
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1、 扩散速度：相速度与混合物质心速度之差，kcm k cm v v v =-
v =k k
g
g
g
l
l l
v cm
k
v
v dv v V v V m dv
ρρρρ+=
⎰⎰
2、 表观摩擦压降：就是按折算介质流速来计算的摩擦压降。
3、 真实密度：两相流场中单位体积的质量成为真实密度。
4、 面积质量流速：单位流通截面的质量流量。
5、 质量含气率：流场中某一控制单元内气相所占的质量份额，称为质量含气率。
6、 滑速比：气液两相速度的比值。
7、说明均相模型、分相模型、二流体模型的优缺点、适应性和局限性.
答：见下表：
8.给出水平管气液两相流型分类,并绘制Baker 流型图
答：水平管气液两相流型分类：1) 泡状流；2）团状流；3)层状流；4) 波状流；5) 冲击流；6) 环状流；7) 雾状流。
9、请写出垂直和水平倾斜气液两相管流的压降计算的相关式模型方法名称各4种共8种。
答：水平倾斜气液两相管流的压降计算的相关式模型：洛克哈特蒂内利（Lockhart -Martinelli ）、杜克勒（Dukler ）І、杜克勒（Dukler ）ІІ、贝克（Baker ）、杜克勒-埃顿-弗莱尼根（Dukler-Eaton-Flanigan ）、埃顿(Eaton)、贝格斯-布里尔（Beggs-Brill ）、弗莱尼根（Flanigan ）、奥维德·巴克尔（Ovid Buckle ）。
垂直气液两相管流的压降计算的相关式模型：Orkiszewski 法、 Hagedorn-Brown 法、Beggs-Brill 法、Hasan-Kabir 法、Duns-Ros 法和Cornish 法、 Aziz-Govier-Fogaras 法、 Ansari 法。
10、由 22
11X
X C l ++
=φ 推导 22
1X CX g ++=φ 其中2
l φ表示分液相（只考虑液相部分）摩擦压降修正因子
2g φ 表示分气相（只考虑气相部分）摩擦压降修正因子
Martinelli 数2
F F l g
dp dp X dz dz ⎛⎫
⎫=
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ （10分） 推导：摩擦压降可用下面公式表示：
2220
0(1)1
4[
]2x F l l l L G x p f dz D x φρ--∆=⎰
2
F l l p φ=-∆（）
2220
2
1
4[
]
2()x F g g g F g g
L G x p f dz D x p φρφ-∆==-∆⎰
所以
22()()F F F
l l g g dp dp dp dz dz dz
φφ== 所以 22
=/F F g l l
g
dp dp dz dz φφ⎛⎫
⎫
⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 2
2
2
/g l X φφ= 所以
222
2
=X 1g l CX X
φφ=++
11、下式是油井多相管流的压力梯度数学表达式
请简述表达式左边各项的意义及各变量的物理意义 （7分）
答：表达式左边各项的物理意义：因举高液体而克服重力所需的压力势能、流体因加速而增加的动能和流体沿管路的摩阻损失。
为多相混合物的密度； 为多相混合物的流速； 为多相混合物流动时的摩擦阻力系数；
d 为管径；p 为压力；h 为深度；g 为重力加速度；
为井斜角的余角。
12、请简述油气水多相管流研究进展、发展方向及热点。
（8分）
答：多相管流研究的进展：1）从经验、半经验关系式发展到统一流动模型的发展过程；2） 多相管流由静态经验或半经验关系式发展到瞬态模型的转变；3）多相管流经历了从现象到物理机理研究的发展过程。
2
sin 2
m m m m m m m v d f dh dv v g dh dp
ρρθρ++=m ρθm f m v
多相流研究的方向有以下几种: 1）基本的经验关系式在流型划分、持液率和压降预测上各有其优缺点，因此应在基本经验或半经验关系式的基础上，确定每种关系式的适用范围，将这些基本的经验关系式加以适当的组合，以得到一些适用范围更广、精确度更高的组合模型关系式。
2）深入研究各种流型的流体力学行为，建立各种流型转化的物理机理模型;利用计算机求解各种流型的模型方程。
3）利用先进的检测手段，进行各种流型瞬态模型研究，建立瞬态模型，在计算机上求解瞬态模型。
多相管流研究热点主要有两个方面：地形起伏多相管流的研究；多相泵和多相流量计研究。