油气两相流研究进展
浅析气液两相流及其应用
浅析气液两相流及其应用浅析气液两相流及其应用摘要：气液两相流存在于石油、天然气、动力、化工、水利、航天、环境保护等工业中，其研究已成为国内外学者广泛关注前沿学科。
本文概要性的描述了气液两相流的应用背景、流动型式，并介绍了气液两相流参数检测的手段和两相流计算的基本方法。
关键词：气液两相流流动型式参数检测计算方法1.气液两相流的应用背景近些年来，石油、天然气、动力、化工、水利、航天、环境保护等工业的迅速发展促进了气液两相流的研究和应用。
在实际应用中可以将凝析天然气简化的看作气相为甲烷，液相为水的气液两相流[3]。
为了在实现天然气井口对凝析天然气气、液两相流量的实时在线测量，需要对其进行相应研究。
再如，火力发电厂中锅炉的汽水分离、蒸发管中的汽水混合物的流动都属于气液两相流问题[1]。
2.气液两相流的流动型式气液两相流中气液两相的分界面多变，其流动结构受各相的物理特性、各相流量、压力、受热、管道布置等影响。
在不同的流型下，两相流的流体力学特性不同，因此为了研究两相流的运动规律，必须研究其运动型式。
在水平管道中，气液两相流常见流动形态如图1所示。
图1 水平管道中气液两相流流型水平管中，气泡流的特征为液相中带有散布的细小气泡，由于受到重力的影响，气泡多位于管子上部。
随着泡状流中的气相流量的增加，气泡聚结成为气塞，气塞一般较长，且多沿管子上部流动。
当气、液两相流速均较小，会受到重力分离效应产生分层流，而当分层流动中气相速度较大时，气液的交界面将产生扰动波形成波状流。
若气相速度再增大，则气液分界面由于剧烈波动将有一部分与管道顶部接触，分隔气相成为气弹，从而形成弹状流，大气弹则将在管道上部高速运动。
在竖直管道中，气液两相流多分为泡状流、弹状流、乳沫状流、丝状环状流和环状流等，如图2所示。
图2 竖直管道中气液两相流流型3.气液两相流参数检测的基本手段（1）采用传统单相仪表进行气液两相流测量多为获得工业应用中气液两相的在线实时流量信息，与实际应用紧密相关。
管道内气液两相流流激力研究进展
管道内气液两相流在核工业、化工业以及石油运输等多个领域中广泛存在，与单相流计和运行具有重要意义。
在过去几十年内，管道外流对管道的影响受到了广泛关注[15-20]，但随着研究的深入，学者们发现管道内流流激力的产生机理与管道外流有本质的区别[21]。
本文首先对管道内气液两相流流激力的产生机理方面的研究进展进行了综述，然后总结了流激力的影响因素，最后对其计算模型进行了阐述，旨在全面展示气液两相内流流激力的研究现状，为进一步开展相关研究给出指导。
1. 气液两相流流激力发生机理1968年，学者Yih和Griffith[22]首次进行了三通结构内气液两相流流激力的实验研究，研究发现：气液两相流流动伴随着强烈的压力、持液率和动量通量波动，正是由于这些不稳定因素导致了管道系统的受力和移动。
作者认为动量通量更能从本质上揭示流动的变化规律，因此将动量通量变化看作“源”，三通结构的移动看作“响应”，但限于实验条件不足，实验并未直接测量流体动量通量的变化，而是使用过滤器将管道移动信号转换为动量通量信号。
Riverin和Pettigrew[6]使用光学探针测量了U型管弯管处的气泡大小和频率以及该处管道的受力值，作者认为，不同气泡的经过导致动量通量的不断变化，经过的气泡越大，带来的动量变化越大；通过实验数据做出气泡尺寸–频率图线，发现最大气泡对应的频率值与受力信号频谱图中主频率值是一致的，由此证明流体轴向动量通量的变化使管道弯管部分产生了脉动力。
Cargnelutti等[23]进一步指出，单相流中弯头部位作用力的产生是由于流体流动方向和压力的改变，而气液两相流中，这两者的变化由于密度、气液界面的急剧变化而大大增加；在直管中，管道作用力的产生机理是液塞经过引起的湍流噪声和压力波动，而在弯头部位，则是由于动量通量在短时间的剧烈改变所造成。
Giraudeau等[24]在实验中直接对截面含气率信号和U型管弯管部位受力同时进行测量，通过对比两者的频谱图发现，同一组实验下两者的主频率值基本相同。
气液两相流流型研究进展答辩
1956年，Sobocinski在水平透明管中研究了油气水三相流，发现在低流量下三相分层流动，而在高流量狭隘出现了分散流动，因而提出了划分三相流型的观点。
1970年，schlichting利用现场管线研究油气水三相流，修正了Lockhart & Martinelli计算方法。
1972年，Bocharov等发表了油、水、天然气三相流动的现场试验结果，指出油水乳状液反相时，管线压降达到最大值。
1974年，Guzhouv等将油气水三相流现场实验结果与两相流加以比较后指出：把稳定油水乳状液的性质用于三相混合物的液相是不合适的。
1991年，德国汉诺威大学的Stapelberg等学者采用对比法，对流型进行了研究。
1992年，美国Rensslaer工业研究院的Acikgoz等学者发表了油气水三相流型的研究成果。
1993-1996年，美国Ohio大学的Jepson、Lee等学者发表了油气水三相流的研究结果，包括流型、压降、分层流的液膜厚度和段塞流频率等研究内容。
1995年,著名学者Taitel、Bernea和Brill等将气液两相流的Taitel-Dukler(1976)流型划分法推广到油气水的三相流动,得到了判别分层流向其他流型转变的方法,并发现在较低气体流速下与试验吻合较好。
同时指出在给定的气体流量下,分层流向其他流型转变时与液面高度直接相关,所以当黏度较高的油品在液相中的流量比增加时,液面高度会上升,分层流将在较低液体流量下发生转变,其区域缩小。
因此，油水流量比对流型的变化有重要影响。
1997年,Hewitt等在高压多相流设备上进行了三相流实验,研究了流型、压降和相分率。
Acikgoz流型划分:实验在恒温（26±0.5℃）下进行，管径为19mm，管长为5.78m，其中流动发展段为2.93m，试验段为1.83m。
选择类似北海原油的矿物油做油相，25℃时其粘度为116.4mPa·s，密度为864kg/m3 。
井筒气液两相流动数值模拟研究
数值模拟是利用计算机技术和数值计算方法，对物理模型进行数学描述和求解 的一种方法。在石油和天然气工程中，数值模拟通常采用离散化方法和有限元 素法等数值计算方法，对井筒气液两相流动进行数学描述和求解。离散化方法 是将连续的物理模型离散化为网格模型，然后利用有限元素法等数值计算方法 对网格模型进行求解。有限元素法是将连续的物理模型离散化为有限个元素， 并对每个元素进行数值计算，最终得到物理量的近似值。
气泡之间在上升过程中可能会相互靠近并且产生合并现象。这些结果表明气泡 上升规律的变化可能主要是由液体黏度和密度变化等因素导致的。因此油水密 度黏度比的差异会决定气泡合并前流型是呈柱状或弹状的特点；在相同流量条 件下随着油水比例的增加油水界面的波动幅度逐渐减小当油水比例达到一定程 度后界面的波动幅度已经很小；
4、结果及分析
通过对数值模拟结果进行分析，可以得出以下结论：
（1）管内气固两相流动呈现出明显的非均匀性，且流动状态受固体颗粒性质 和气体速度的影响较大。
（2）在较低气体速度下，固体颗粒容易在管道底部积聚，形成固相浓度较高 的区域。随着气体速度的增加，固相浓度分布趋于均匀。
（3）在一定条件下，管内流动可能出现稳定的层流状态，即气体和固体颗粒 分层流动。这种现象有利于减小能量损耗和维护设备正常运行。
四、计算结果及分析
通过计算得到了不同工况下的流动规律和液相分布情况。当油水比例达到50% 时，气泡流动不再存在液膜的气泡接触角变小并且向正流区变化的现象变得更 为显著；在初始上升高度不随油水比例的变化而变化的情况下，随着油水比例 的增加，气泡在垂直管上升过程中更容易被拉长；当油水比例达到50%时，气 泡在垂直管上升过程中更容易被拉长；当油水比例增加到一定值后，
关键词：气力输送，管内流动， 气固两相流，数值模拟
采油过程中的流体力学研究进展
采油过程中的流体力学研究进展石油作为现代工业的重要能源和原材料，其开采过程涉及到众多复杂的科学和工程问题。
其中，流体力学在采油过程中扮演着至关重要的角色。
随着技术的不断进步和研究的深入，采油过程中的流体力学研究也取得了显著的进展。
在采油过程中，地下油藏中的流体流动特性是影响石油采收率的关键因素之一。
油藏中的流体通常包括石油、天然气和水，它们在岩石孔隙中的流动受到多种因素的影响，如孔隙结构、岩石渗透率、流体黏度和压力等。
为了准确描述和预测这些流体的流动行为，研究人员建立了各种数学模型和模拟方法。
传统的流体力学模型主要基于达西定律，该定律描述了在低速、线性流动条件下流体通过多孔介质的流量与压力梯度之间的关系。
然而，在实际的油藏条件下，流体流动往往是非线性的，并且存在多相流、湍流等复杂现象。
因此，近年来研究人员发展了一系列更复杂的模型，如考虑启动压力梯度的非达西流动模型、多相流模型和热流耦合模型等。
多相流模型在采油过程中的应用尤为重要。
在油藏中，石油、水和气通常同时存在，它们之间的相互作用和分布对采收率有着重要影响。
多相流模型可以描述不同相之间的界面张力、毛管压力和相对渗透率等特性，从而更准确地预测油藏中流体的分布和流动。
除了数学模型，实验研究也是采油流体力学研究的重要手段。
通过在实验室中模拟油藏条件，可以直接观察和测量流体的流动行为，为理论模型的验证和改进提供依据。
例如，微观可视化实验可以利用透明的微模型观察孔隙尺度下流体的流动和分布，有助于深入理解微观驱油机制。
宏观物理模拟实验则可以模拟整个油藏的开采过程，研究不同开采策略对采收率的影响。
随着计算技术的飞速发展，数值模拟在采油流体力学研究中发挥着越来越重要的作用。
数值模拟可以在短时间内对大规模的油藏进行计算和分析，为油田开发方案的优化提供有力支持。
常见的数值模拟方法包括有限差分法、有限元法和有限体积法等。
这些方法可以处理复杂的油藏几何形状和边界条件，并且能够模拟多相流、非均质介质等复杂情况。
浅谈油气储运气液两相流常温输送工艺
降变化规律 ，对原油集输管道的水力计算进行初步探讨。利用李氏算 法对大 庆油 田 ７ Ｏ口井 及集输 实测 生产 数据进 行计 算对 比 ，对 不 同的含 水率 的原油 输送 进行 了计算 校核 ，并对 贝克 流型 图 中 的 取值 范围 进行
对 于 混输 管路 的研 究还 是在 探索 阶段 ，压 降计 算 的准 确率还 只 是停 留 在２ ５ ％左右 。为了使 油管 中油 、气 、水混 输管路 处于最优 的工 作状态 ，
三、油气 水三相 混输 管 的特点及发 展
在 石 油开 采后 ，为 了使 油管 中油 、气 、水 混输 管 路处 于 最优 的 工
关键词 ：油气
一
储运
气液
引 言 常 温输 送工 况下 的压 降计 算随 着持 液率 的 增大 可用 均相 流 模型 进 行 两相 流分析 。对 于两相 流压降模 型迄 今未见 有较 为 系统 的研 究成 果 。
、
结 了压 降的计 算公 式 。在李 氏算 法 中 ，由于 是常温 输 送对 于全 线 的计 算 ，为 了简便 起 见忽 略了 温度 的影 响统 一使 用平 均温 度值 ，并且 采 用 气液 相混合 物的平 均流速 。
了扩 充 ，使得 误差 大 大减少 。气 液 两相 流常 温输 送过 程 中要 进 行压 降 计算 ，其关 键要 确 定流 动形 态 ，本文 主要 依据 贝克 方 法对 流态 进行 了 判定 。在此 基础 上应 用李 氏算 法然 后利 用了 计算 机 的 ｃ语 言 经过 编程
研 究混 输管 线 的压 降规律 ，对 推广 常温 输 送新 工 艺起 着一 定 的指 导 作 用 。本 文 针对 大庆 油 田原 油集 输管道 中油 、气 、水多相 流 动 的压
2012.气液两相流流型识别理论的研究进展
文章编号：CN23－1249（2012）06－0033－04气液两相流流型识别理论的研究进展方立军，胡月龙，武生（华北电力大学能源动力与机械工程学院，河北保定071003）摘要：介绍了气液两相流流型识别理论，首先探讨了气液两相流流型划分问题，然后详细介绍了流型的静态识别方法和实时识别方法，并重点介绍了基于压差波动理论、混沌理论、神经网络和复杂度特性的间接实时流型识别方法。
关键词：气液两相流；流型识别；划分；静态识别；实时识别中图分类号：TP391．41文献标识码：AResearch Progress of the Gas －liquid Two Phase Flow Pattern RecognitionFang Lijun ，Hu Yuelong ，Wu Sheng（School of Energy Power and Mechanical Engineering ，North China Electric Power University ，Baoding 071003，China ）Abstract ：This paper introduce the gas －liquid two phase flow pattern recognition theory ，it firstly probes into the division of gas －liquid two phase flow pattern ，and then introduced the static flow pattern identification method and real －time identification method ，and mainly describes the indirect real －time flow pattern identification methods based on the theory of differential pressure wave ，the chaos theory ，the nerve network and the complexity characteristics．Key words ：gas －liquid two phase flow ；flow pattern recognition ；division ；static identification ；real －time identification收稿日期：2012－06－19作者简介：方立军（1971－），男，副教授，研究方向为大气污染物控制和洁净煤技术。
油气两相流喷射冷却旋转发热圆柱换热机理分析
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油 气 两 相 流 喷 射 冷 却旋 转发 热 圆柱 换 热 机 理 分 析
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油气两相流研究进展
摘要：在石油工业的采输管线，油井和气井中经常会出现两相流动的情况。
在两相或多相管路中，混合物流动时，随着压力、流量、温度、油气比、管道几何形状及地形起伏等参数的变化，形成许多具有不同相分界面的流动结构形式，简称流型。
然而不同的多相流型具有不同的动力学和传热特性，因而研究流型对多相流的理论研究、参数测量及生产实际具有重要意义。
本文总结了两相流的研究进展在此基础上对两相流的研究趋势进行了概述。
关键词：输油两相流动流型动力学传热特性
一、引言
在石油工业的输油管线，油井和气井中经常会出现两相流动的情况。
在美国，有多数的管线是属于两相混输的管线。
在两相或多相管路中，混合物在管路中流动时，随着压力、流量、温度、油气比、管道几何形状及地形起伏等参数的变化，形成许多具有不同相分界面的流动结构形式，简称流型。
流型是描述气液两相流动体系的基本要素之一。
不同的多相流型具有不同的动力学和传热特性，因而流型的研究对多相流的理论研究与参数测量十分重要[1]。
正确判断流型对于气液两相流的研究和工程应用都有重要意义，它一直是两相流研究领域的重要方面。
近二十五年来，国内外对两相流动进行了广泛的研究，但是大部分都只是仅仅研究了水平或者铅直情况下的两相流的行为分析，也总结出了很多的计算模式和规律。
但是当这些规律应用到很多倾斜的管道中时明显是不成立的。
本文主要论述了两相流的国内外进展以及对两相流的研究进行了展望。
二、国内外研究现状
早在1914年，wisconsin大学的Davis-weider在直径为31.75mm的短玻璃管内进行空气举升水的实验，他们把管内的摩擦因子与滑移关联起来试图得到DVP为自变量与单相摩擦因子一致的曲线，但是最终失败了，主要因为他们没有考虑混合流动的流型和总的流动密度。
2003年Hshi等人对于水平分层流动提出了水层水包油层，油包水层以及油层四层流动理论模型推动了两相流的理论的发展。
2004年Righetti 和Romano利用PDA技术获得了两相流在水平管中质的联系。
2006年Revellin在Steiner流型图的基础上展示了新的流型机理。
2012年学者A.Yu.Varaksin对两相流的动力特性和传热特性进行了研究，指出不同流型对流体的动力特性和传热特性有很大的影响。
2014年Hemant B. Mehta[2]通过对0°，30°，45°，60°，90°管内气液两相流动的研究认为段塞流是水平管和所有垂直管的主要流型。
1998年，西安交通大学郭烈锦研究了油气流两相流过弯管时的局部阻力，重新提出了统一的弯管的局部阻力计算公式。
2004年西安交通大学刘文红对水平直圆管内油气两相流的压降进行了实验研究，提出了基于典型流型的压力梯度计算模型，并经过对实验结果的分析指出了气相的存在使得油相更容易粘附与壁
面，从而引起不同流型下流动所产生的压降及其变化规律差异很大。
2005年中国科学院力学研究所许晶禹研究了不同液相介质对气液两相管流中流型和压降的影响，指出液相物性对于较低液相粘度的气液两相流动中的塞状流向弹状流的转化有一定的影响但对水平管中的分层状流动向间歇流动的转化影响很小。
2006年刘文红等人又对水平及倾斜管内油气水三相流流型特性做了研究指出气相的作用使得油水分布发生了很大的变化，只有准确的把握流动条件下油水乳状液的变化规律，才能对流型之间的相互转变做出准确的预测和分析。
2007年马友光[3]等人对微通道内气液两相流行为进行了研究发现微通道内气液两相流的流型判定并没有一个统一的结论。
2008年西安交通大学辛电波通过改变泄漏间隙和泄漏压力差以及油气体积比，借助高速摄影获得了微小间隙内油气两相流的流型。
2010年李斌[4]等人以某航空发动机后支点轴承腔为研究对象指出当转速一定时降低滑油量出油温升增加。
由于气液两相流问题固有的复杂性、多样性和测试手段的局限性，故至今对于气液两相流的流动机理，流型形成，阻力特性，质量、动量和能量传递等还不十分清楚，对其许多现象的分析还存在许多分歧。
所以目前对气液两相流的研究不得不采用基于实验数据的经验式或半经验式，或者直接进行实验模拟研究。
但是随着工程领域的不断发展，气液两相流方向的新课题不断提出和深化，不仅可以推动对气液两相流现象的深入了解，为研究提供新的丰富的内容，也可以为验证已有的模型、理论和关系式提供机会，从而使气液两相流学科得到进一步的发展，而这种发展反过来又必将促进有关工程领域的进一步发展。
三、存在的问题与研究方向
综上所述，虽然国内、外对油水两相流流型识别的研究比较重视，使用了诸多方法，但总体来说两相流的研究还处在实验探索阶段，真正应用到实际生产中的测量方法还较少。
因此，对油水两相流流动参数测量的方法还需拓展和改进，对流型特性参数的统计分析研究还亟待加强。
主要存在以下不足：
（1）对流型影响因素的研究还有待完善。
当前研究中很少涉及实际生产中使用的大管径，比如油井中普遍使用直径为125mm 的钢管，输油管线口径通常大于400mm，因此需要进一步研究大管径对流型的影响；
（2）温度对流型的影响尚不明确，目前尚缺少井下高温和严寒条件下管线低温输油时管内流型的实验数据；高含蜡高粘易凝原油很少被选作研究对象，若开展该方面的研究或可对含蜡高粘原油的输送及流动保障技术提供更多的理论指导。
（3）对流型测量方法的研究还待改进。
目测法和高速摄影法都需要透明管段或透明窗口，实际应用时受限，侵入式的测量手段对小管径管道流型结构有较大的破坏作用，因而引入各种新的微侵入式和非侵入式的方法是今后测量的趋势。
四、参考文献
[1]HD.Beggs，J.P.Bril. Research of two phase flow in inclined tube [J].SPE36609 1996
[2]Hemant B. Mehta，Jyotirmay Banerjee.An investigation of flow orientation on air–water two-phase flow in circular minichannel[J].Heat Mass Transfer2014
[3]马友光，付涛涛，朱春英. 微通道内气液两相流行为研究进展[ J]. 化工进展，2007
[4]李斌，刘勇.轴承腔内油气两相流动与换热的数值模拟[J].工程科学学报2010。