第4章 多相流体温度分布计算
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。
化工原理第四章第二节讲稿
温度梯度:
温度梯度是向量，其方向垂直于等温面，并以温度增加的 方向为正。
傅立叶定律是热传导的基本定律，它指出：单位时间内传导的热量与温度梯度及垂直于热流方向的截面积成正比，即
导热系数表征物质导热能力的大小，是物质的物理性质之一，其值与物质的组成、结构、密度、温度及压强有关。
3、液体的导热系数 在非金属液体中，水的导热系数最大。除水和甘油外， 绝大多数液体的导热系数随温度的升高而略有减小，
纯液体的导热系数比溶液的导热系数大。
3、气体的导热系数 气体的导热系数很小，不利于导热，但有利于保温。 气体的导热系数随温度升高而加大 。 在相当大的压强范围内，气体的导热系数随压强变化极小 注意：在传热过程中，物质内不同位置的温度可能不相同，因而导热系数也不同，在工程计算中常取导热系数的算术平均值。
（4-7）
四、圆筒壁的稳定热传导
1、单层圆筒壁的热传导
仿照平壁热传导公式，通过该圆筒壁的导热速率可以表示为：
分离变量积分：
——圆筒壁的导热热阻
这个式子也可以写成与平壁传导速率方程类似的形式
（4-9）
精品课件！
精品课件！
——圆筒壁的内外表面的对数平均面积，m2
当r2/r1≤2时可用算术平均值代替对数平均值
1、导热系数的定义
在数值上等于单位温度梯度下的热通量 ，是物质的物理性质之一 。 一般，金属的导热系数最大，非金属的固体次之，液体的较小，气体的最小。
2、固体的导热系数 纯金属的导热系数一般随温度的升高而降低， 金属的导热系数大都随纯度的增加而增大。 非金属的建筑材料或绝热材料的导热系数随密度增加而增大，也随温度升高而增大。
1、温度场和温度梯度
一、傅里叶定律
化工流体流动与传热4.3 对流传热概述
换热器任一截 面上热流体的 平均温度
换热器任一截 面上与热流体 相接触一侧的 壁温
17
2. 热边界层
λ dt λ dt ( )w = − ( )w 因此有 α = − T − Tw dy ∆t d y
上式为对流传热系数的另一定义式， 上式为对流传热系数的另一定义式，该式表 对于一定的流体和温度差， 明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附 近的流体层的温度梯度， 近的流体层的温度梯度，就可由该式求得α。 热边界层的厚薄影响层内的温度分布， 热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而 影响温度梯度。当边界层内、 影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定 热边界层愈薄， 愈大， 时，热边界层愈薄，则(dt/dy)w愈大，因而α就 愈大。反之，则相反。 愈大。反之，则相反。
24
4.3.3 保温层的临界直径
dc
图4-15 保温层的临界直径
25
第 4 章 传热
4.1 概述 4.2 热传导 4.3 对流传热概述 4.4 传热过程计算
4.4.1 热量衡算
26
热平衡方程
假设换热器的热损失可忽略， 假设换热器的热损失可忽略 ， 则单位时间 内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。 内热流体放出的热量等于冷流体吸收的热量。 对于换热器的微元面积d 对于换热器的微元面积 dS ， 其热量衡算式 可表示为
dQ = α i (T − Tw )dS i =
λ
b
(Tw − t w )dS m = α o (t w − t )dS o
或
T − Tw Tw − t w tw − t dQ = = = 1 b 1
α i dSi
λ dS m
α o dS o
dQ = K (T − t )dS
流体的热传导性质和温度分布计算的统一化方程
流体的热传导性质和温度分布计算的统一化方程在热传导过程中，了解流体的热传导性质和温度分布非常重要。
这些性质和分布可以通过统一化方程来计算和描述。
本文将介绍流体的热传导性质和温度分布的统一化方程，并进行详细的说明。
1. 热传导性质的统一化方程热传导是指热量以分子间碰撞的方式在流体内传递，其速率与温度梯度成正比。
流体的热传导性质可以用热传导系数来描述，该系数表示单位长度和单位面积的传热速率。
热传导性质的统一化方程可以用如下的形式表示：q = -Λ * ∇T其中，q表示单位时间内通过单位面积的传热量，Λ表示热传导系数，∇T表示温度梯度。
这个方程表明热传导量与温度梯度成正比，并且方向是从温度高的地方向温度低的地方传导。
热传导系数Λ是材料的性质之一，不同的材料有不同的热传导系数。
2. 温度分布的统一化方程温度分布是指流体内各点的温度分布情况，通过计算和分析温度分布可以了解流体的传热情况和热平衡状态。
温度分布的统一化方程可以用如下的形式表示：∇·(Λ * ∇T) + Q = 0其中，∇·表示散度运算符，Λ表示热传导系数，∇T表示温度梯度，Q表示单位体积内的热源或热汇。
这个方程表示了温度分布变化的规律，左边的第一项表示热传导对温度分布的影响，右边的第二项表示热源或热汇对温度分布的影响。
3. 统一化方程的应用举例为了更好地理解和应用统一化方程，下面以一些具体的例子来说明。
例1：热传导问题考虑一个均匀材料的棒状结构，两端分别连接固体和冷却器，在固体端施加恒定的温度，冷却器端恒定的冷却温度。
假设棒状结构的热传导系数Λ为常数，温度分布可以通过统一化方程计算得出。
例2：热对流问题考虑一个流体在闭合容器内的对流传热问题，容器内的流体受到恒定的加热。
通过统一化方程可以计算出流体内各点的温度分布，进而分析热对流的特性。
例3：热辐射问题考虑一个辐射热传导问题，辐射热通量通过边界表面的辐射传热。
通过统一化方程可以计算出边界表面的温度分布和热通量分布，进而分析热辐射的传热特性。
流体的多相流动和多相传热
流体的多相流动和多相传热多相流动和多相传热是流体力学和传热学中的重要研究领域，涉及到两种或多种不同相态的流体在相互作用中的行为及其传热特性。
在工程和科学领域中，多相流动和多相传热的研究对于理解和解决现实生活中的许多问题具有重要意义。
一、多相流动的基本概念多相流动是指在同一空间内同时存在着两种或多种不同相态的流体。
常见的多相流动包括气固、液固和气液两相流动。
在多相流动中，流体与固体或另一种流体之间通过界面相互作用并产生各种现象。
多相流动的特点包括相态转换、相分离、相互作用等。
1. 相态转换相态转换是指流体在不同条件下从一种相态转变为另一种相态的过程。
例如，水从液态转变为气态的过程称为蒸发，气体从气态转变为液态的过程称为冷凝。
相态转换会伴随着能量的吸收或释放，对多相流动和多相传热的研究具有重要影响。
2. 相分离相分离是指在两种或多种相态的流体中，不同相态的物质会产生分离现象。
例如，在液固两相流动中，固体颗粒可能会沉积在底部形成固体堆积。
相分离现象对于流体力学和传热学的研究与应用非常重要。
3. 相互作用相互作用是指在多相流动中不同相态的流体之间通过界面相互作用产生的现象。
例如，在两种相态的气体流动中，气泡的生成和破裂是气液两相流动的典型现象。
相互作用对于多相流动的传热特性具有重要影响。
二、多相流动的数学模型多相流动的数学模型在流体力学和传热学的研究中起着重要作用，它描述了不同相态的流体在空间和时间上的分布及其相互作用规律。
常见的多相流动模型包括欧拉模型、拉格朗日模型和欧拉-拉格朗日混合模型。
1. 欧拉模型欧拉模型假设流体处于连续介质的状态，将流体视为宏观量的集合。
欧拉模型通过质量、动量和能量守恒方程来描述流体的运动及其与固体界面的相互作用。
欧拉模型在多相流动的研究和工程应用中被广泛采用。
2. 拉格朗日模型拉格朗日模型将流体视为由大量微观粒子组成的离散系统。
拉格朗日模型通过分析流体粒子的运动轨迹和相互作用来描述流体的运动规律。
多相流数值计算
膨胀过程喷管的设计可认为其流动为一维、无粘、超声速膨胀流动，过程如图1。
蒸汽在点1处等熵膨胀，在点2处越过饱和线，此时过饱和度S=1，蒸汽为饱和蒸汽。
由入口条件T0和P0决定，点2发生在收缩断（亚音速）或者扩张段（超音速）。
蒸汽在膨胀过程中快速冷却，通常为10^6K/s，但是在点2并没有发生凝结。
当等熵膨胀到点3，均值凝结成核率急剧上升，大量的分子簇以10^19/cm^-3s^-1的速度形成。
汽化潜热的释放使蒸汽的热力学参数偏离等熵线，压力升高1%，该点称为“凝结起始点”。
也是在这一点，光散射的现象发生。
在蒸汽喷管当中，这一点的过饱和度通常在4-15，取决于起始条件。
凝结核的直径在10^-7cm数量级。
继续流动，蒸汽在这些凝结核上凝结，汽化潜热的释放使其热力学参数远离等熵线到达4点。
3点到4点的区域称为“凝结区域”。
在凝结区域最后，蒸汽的热力学状态接近饱和线。
凝结核生长的速度下降，流动继续膨胀和冷却。
通过改变入口条件，即P0和T0值，蒸汽可以沿着不同的等熵线膨胀，以致发生在点3附近的成核过程可以通过三相点温度检查出。
喷管内流动的控制方程：连续性方程：dρρ+dAA+duu=−dg1−g或者：ρAu1−g=m，动量方程：ρudu+dp=0能量方程：d +u22=dq≅Ldg状态方程：p=1−gρRT/μ我们有四个方程组，五个未知数。
求解有两种方法，一是测量一个量比如压力，二是使g为其他参数的函数。
J=C(p)2(2ς)1/2v c exp(−∆G∗/kT)J是成核速率（cm^-3s^-1），∆G∗为Gibbs自由能（∆G∗=4πr∗2ς/3），临界半径r由Gibbs-Thompson-Helmholtz方程给出。
正如很多文献所述，表面张力对成核速率J的影响非常大。
r∗=2ςv c/kT ln(p/p∞)因为凝结核的尺寸远远小于蒸汽分子平均自由程，生长规律简化了。
dr=f(p,T,p D,T D,α,ξ)方程已经闭合，喷管内任何地方所有的热力学参数可以求解，甚至包括液滴尺寸分布。
化工原理第四章对流传热
【解】在确定各物理量时，先确定定性温度。
一般情况下，用进出设备流体的温度的平均值
（算术平均值），即：
t t进＋t出 ＝20＋40＝30℃
2
2
查数据手册，30℃时水的物性数据为：
Cp=4183J/(K.kg) ρ=996kg/m3 μ=8.01×10－4Pa.s λ=0.618W/(m.K)
【注意事项】
（1）定性温度取流体进出温度的算术平均值tm； （2）特征尺寸为管内径d；
（3）流体被加热时，n＝0.4；
流体被冷却时，n＝0.3。
（4）若l/d＜60 ，进行校正：
'
1
d
0.7
l
3/24/2020
（2）圆形直管内的湍流（高粘度流体）
0.027 ( du )0.8 ( c p )0.33 ( )0.14
（1）什么是定性温度 【定义】确定物性参数 数值的温度称为定性温 度。
Re du
T1
t2
Pr c p
T2
t1
3/24/2020
（2）定性温度的取法 ①流体进、出口温度的平均值
②膜温
tm
t1
t2 2
t tm tw 2
th T1
热Φ 流 体
th,w
t2
Φ
冷 流 tc,w 体
式中 tw——壁面上的温度；
bt
Q bt A(tw t) 当流体被冷却时：
Q
bt'
A(T
Tw )
bt’
3/24/2020
4、牛顿冷却定律
令：
bt
Q
bt
A(t w
t)
流体被加热： Q A(tw t)
多相流的随体导数和基本方程
多相流的随体导数和基本方程
多相流是指流体中同时存在多种独立的物理相对象，它们彼此相互
作用及其物理参数，生物催化反应，电场和质量转移效应。
它可以被
视为一种复杂而变量的系统，它是许多环境，机械和化学工程等工程
学科之间的公共桥梁。
最常见的多相流体包括气液流体、液液流体和
固液流体。
这些流体可能包含多个独立的相以及它们两两之间的物理
和化学作用。
多相流的运动是由它们的属性和组成的内部动力的结果，可以用一组
随体导数来表示。
例如，压力、密度和流速是由随体导数来表示的，
如压力密度联系方程，它是表达流体压力和密度关系的一组方程。
此外，存在多个温度随体导数，如温度联系方程，它们用于表示多相流
体的温度分布。
另外，物质保持的方程，也是一组用于表示多相流体
污染物的方程，用于研究其在流体中的迁移。
作为多相流的基本方程，质量守恒方程，它可以用来表示流体的组成。
此外，它可以用来表示流体的运动和湍流效应。
热力学守恒方程可以
用来表示热能的形成，如能量传输、化学反应及物理变化等，其中一
些可能影响多相流运动的参数。
此外，动量守恒方程可以用来表示流
体的动量，例如涡度和压力场等。
最后，电磁学守恒方程可以用来模
拟多相流中电场参数和电动势的形成。
各种方程组在多相流体运动中
彼此相互作用，并改变流体的动力学特性。
- 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)。
Kl—kJ/(m.h. ℃)
Kl—kcal/(m.h. ℃)
G — kg/h Kl —kcal/(m.h. ℃)
Kl
1 G 1.1573 5.4246exp( ) 1000
地层温度与深度的关系
ts t1s h
联立上述公式可得
KDt t1s hdh GCdt
求解方程得
KDh GC GC t t1s h 1 e KD
此式即井筒 内任意深度 点油温计算 公式
KDh GC 1 e GC t t1s h KD
Flow Assurance
1、公式推导及分析 设 t1 为井底油温，T为井口油温， t1s 为井底处地层温度， t2s 为井 口处地层温度。 假设条件：
•气体质量忽略不计 •井筒中液体流动为准稳定流，体积 和流型变化的影响忽略不计 •流体对地层放热，其总传热系数K 为常数 •油流在油管中流动时因摩擦而产生 的热量忽略不计 •因天然气析出及膨胀吸热忽略不计
而准确预测多相流体的温度是压力计算的基础。另外，
油藏流体在地层中温度高，沿井筒向地面流动过程中， 随着不断散热，其温度将不断降低，油温过低可能导 致原油结蜡，因而多相流体温度的准确预测对怎样采 取防蜡措施，是否增加井口加热设备等是很重要的。
稠油井筒降粘工艺
热流体循环
电热杆采油工艺
伴热电缆采油工艺
流动保障
行两条曲线对比，最大误
差为1.6℃。
实测井温曲线与计算值比较
实际应用中传热系数的处理
GC 1 e t t1s h KD
Kl K D
KDh GC
K—kJ/(m2.h. ℃)
K—kcal/(m2.h. ℃)
K lh GC GC t t1s h 1 e K l
K 1
1
i 1 R0 i 2
1
(4) 天然气析出和膨胀问题 当压力低于饱和压力时，有天然气析出。 析出气体需要热量，已析出气体不断膨胀， 又会吸收一部分热量，这两部分热量的计 算比较复杂。 T h 焦耳-汤普逊系数： p h
焦耳-汤普逊效应
井筒内的流型较复杂，不同流型的传热特性并不相同， 但目前还缺乏反映具体流型传热规律的量化模型，考虑 到只研究宏观整体，故可将流动视为准稳定流，同时忽 略流型的影响。
(3) 总传热系数
井筒外部不同位置的岩层性质 亦不同，井筒内的流体流型又 有变化，所以严格地说，总传 热系数值应该是一个变量，认
为其变化与平均值之间的差值 不大，取实测平均值即可 [ 实测 在 21 ～ 25kJ ／ (m2· h· ℃) 左右 ] 。 因此，计算时可按常数考虑。
课程回顾
多相流计算中为什么要计算油藏流体的高压物性？ 井筒中某点(温度和压力分别为T 和p)油相和气相实
际体积流量的计算步骤。
Qo×Bo
Zp0T Qo ( R p Rs ) pT0
第四章
多相流体温度分布计算
在多相管流压力计算中，首先要计算油藏流体的高压 物性，而流体的高压物性对压力和温度非常敏感，因
公式的推导 K—J/(m2.s. ℃) 传热公式
dq K t ts Ddh
K—kJ/(m2.h. ℃) K—kcal/(m2.h. ℃)
油损失热量为
dq GCdt
C为原油 比热
C＝2.1kJ／kg.℃ C＝0.5kcal／kg.℃
根据热量守恒
K t ts Ddh GCdt
分析
第一项：
t1s h
它反映地温自然变化规律，意谓着油
流静止时，原油本身的温度完全为环境地温所决定，因此 可称“静态温度”。 第二项意味着因油流运动和地层温度对井筒油温的影响， 从而产生“静态温度”的增量，即“动态温度”。如果总 传热系数的值或套管直径较大，散热情况良好，井筒油温
就低；如果油流量 G 或液体比热 C 较大，则井筒油温就高。
2 公式中各项参数取值
KDh GC GC 1 e t t1s h KD
(1) 井底油温 t1s
井底油温也就是油层温度
(2) 地温梯度
一般认为 =0.03℃／m (3) 距井底高度 h
取某一点至油层中部的距离
(4) 原油质量流量
在井底压力大于饱和压力且气油比小于 100 时，气体析出 膨胀而引起的温降一般在 2℃左右。而且此温降又被油气 在油管中由于摩擦所产生的热量补偿掉一部分。因此，在 一般工程计算中，可忽略此温降。
4 实测值与计算值比较
右图为某油井实测的温度
值与计算值的比较。从图 中看出，实测的井温值与 计算的井温值重合较好， 且与地温梯度曲线近乎平
为油井的实际产量或设计产量
(5) 原油比热C 一般计算时取C＝2.1kJ／kg.℃ 当原油含水时 GC G油C油 G水C水 (6) 总传热系数K
K 1
1
i 1 R0 i 2
1
(7)油管外径D
其数据在完井后即可提供
3 假设条件的分析 (1) 气体质量流量 国内多数油田的气油比一般在10～80之间，气量可忽略不 计，假设条件（1）可以成立。但对气油比大于100的井， 可将气量折换成油量。 GC G油C油 G水C水 G气C气 (2) 流动型态