哈工程气液两相流第6章
第6章 水平气液两相管流解读
水平气液两相管流
在油气开采过程中，油、气混合物沿油气混输管道 从油井井口到联合站的流动，属于水平管或接近水平管 中的气液两相流动。当油井见水后，其流动属于油、气、 水混合物的多相流动。实践表明，多相流动的压中损失 比单相流动时大得多，在类似的流下，前者可达后者的 5～10倍。 当然，在石油工业中，水平多相流更多地表现为集 输管线中油气水的混合流动。
第一节 流动型态
一般可以将水平管中气液两相的流动型态大致分为七种。 如果管道中液体的流量不变，而气体的流量由小到大，则 其发生的顺序是：
1．泡状流 气体量很少，气体以气泡的
形式在管道中与液体一同作等速流动。
2 ．团状流
随着气体量的增多，气泡 合并成为较大的气团。气团在管道中 与液体一同流动。
流动型态
Bl 、 B g 、n 及 m 一常数。
g ——气相的粘度；
l vl Dl Re l l
Ql l Dl Al
l
Gl
l
l
l
4
Dl2
Dl 4Gl Dl l
洛克哈特—马蒂内利方法
整理前式，按液相计算的 两相流动压降为：
L vl2 p l l Dl 2
Gl 2 Dl l Bl L 4 p . n 2 4Gl Dl D l l l
Q G Gl vl l l Al Al l D 2 l l 4
vg Qg Ag Gg Ag g
考虑到两相相对运 动及各自流动的几 何形态特点，引进 了校正系数 和
Gg
2 Dg g
4
Gl
Gg
——液相的质量流量； ——气相的质量流量。
哈工程两相流第1章解读
课程重点
熟练掌握两相流基本参数的定义，表达式及计算方法。 掌握绝热与非绝热垂直与水平管内各种流型的基本特征， 能用流型图判别流型，了解流型过渡的判别条件。 对截面含气率的三类计算方法有明确的认识，掌握用漂 移流模型计算截面含气率的方法，了解欠热沸腾区截面 含气率的计算过程。 掌握用均相流模型及分相流模型计算直管内的摩擦压降、 重位压降及加速度压降的方法。了解影响摩擦压降的主 要因素。 能计算热平衡条件下受热及不受热流道的两相总压降。 能分别用三个模型计算长孔道内临界质量流速，掌握短 孔道内临界流的特征及临界质量流速的计算。
V V V J Jg J f A A A
式中，Jg为气相折算速度，表示两相介质中气相单独流 过同一通道时的速度,m/s.
Jf为液相折算速度，表示两相介质中液相单独流
V V Jg W A A
Байду номын сангаас
W
Jg
过同一通道时的速度,m/s.
V V J f 1 W 1 A A
W
1
Jf
讨论
当气液两相无相对运动时
S 1, W W W J W
当气液两相存在相对运动，且 W W ，则
W J W
3.漂移速度和漂移通量 漂移速度：各相真实速度与两相混合平均速度J的差值。 气相漂移速度： Wgm W J 液相漂移速度： Wfm W J 漂移通量：各相相对于两相混合平均速度J运动的截面 所流过的体积通量。 气相漂移通量：
G M A
每一相的质量流速与总质量流速的关系
M M G G G (1 x )G xG A A
哈工程气液两相流第5章
3. 按均相流模型法计算得到的试验段内摩擦阻力压降
p p f p f 2 17 3.14 20.14 kPa
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lo G 2 D 2 lo
2 L lo Pf lo lo
2 2.求 lo dPf 3.求 dz
2.非绝热
x1 x2 均匀加热 x 2
dPf 2 lo dz lo
L 1 正弦加热 x xdz o L
三.前苏联锅炉水动力计算标准方法
dPf Pf dz
2 go
GD 0.3164
x 1 x 1
0.25
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二.采用平均粘度计算摩阻系数法
单相水的摩阻系数一般按布拉修斯（Blasius） 公式计算 0.25
lo 0.3164 Re
0.25 f
GD 0.3164
对于两相流体，两相摩阻系数：
0.3164 Re
0.25
GD 0.3164
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5.2 均相流模型的摩擦压降计算
一.基本关系式
摩擦压力梯度
第六章 脱硫塔设计
第六章脱硫塔设计现代化的烟气脱硫脱硫塔的设计必须满足以下几个准则：（1）低能耗，与低“液气”比有关；（2）低压降，与脱硫塔内部的优化设计有关；（3）高流速，与“投资”和“运行费用”的优化有关；（4）高SO2去除率、低的设备/系统维护率，与化学反应行为的优化有关；（5）高“液滴”分离率，避免下游设备垢污沉积和腐蚀；（6）低成本。
脱硫塔内的流体力学特性为复杂的气液二相流，这种复杂的逆流两相流给放大准则和测量带来很大的难度。
几乎每套装置都需度身定制，对一些特殊环节不进行验证就很难保证系统具有高度可靠性、经济性和一次投入成功率。
但是，FGD装置庞大，一般小型试验很难解决问题，大型试验又使得一般工程在财力和时间上无法接受。
早期，需要模拟实际工况的几何尺寸和流动条件才能初步确定放大准则，然后对放大准则进行判读并将其应用于实际工况。
近年来，随着计算流体力学、化学反应动力学等领域的发展，对脱硫塔设计技术的研究更加深入。
例如，对脱硫塔进行CFD模拟，在工作站上可以对不同的FGD设计进行测试并优化，这可能是了解真实流动状态和FGD脱硫效率的唯一途径。
此外，脱硫塔为薄壁结构，塔体上分布各种类型的加强筋，矩形开孔尺寸大、塔内件复杂，有时塔体外形不规则，依靠手工对喷淋塔进行流场和力学计算是非常困难的，使得人力计算很难进行。
目前，大多采用现代流场分析软件和力学分析软件（如FLUENT6.0和ANSYS9.0）进行流场分析和力学分析。
脱硫塔的流场分析和力学分析是脱硫塔优化设计的基础。
第一节脱硫塔结构设计脱硫塔的结构设计，包括储浆段、烟气入口、喷淋层、烟气出口、喷淋层间距、喷淋层与除雾器和脱硫塔入口的距离、喷喷嘴特性（角度、流量、粒径分布等）、喷嘴数量和喷嘴方位的设计，是取得脱硫塔最优化性能的重要先决条件。
需要指出的是，精准的设计应在两相流和传质以及力学分析的基础上，结合实践经验进行。
一、脱硫塔结构定性设计1.塔的总体布置如图6-1所示，一般塔底液面高度h1=6 m～15m；最低喷淋层离入口顶端高度h2＝1.2～4m；最高喷淋层离入口顶端高度h3≥vt，v为空塔速度，m/s，t为时间，s，一般取t≥1.0s；喷淋层之间的间距h4≥1.5～2.5m；除雾器离最近（最高层）喷淋层距离应≥1.2 m,当最高层喷淋层采用双向喷嘴时，该距离应≥3m；除雾器离塔出口烟道下沿距离应≥1m。
流体输配管网1—6章答案
第一章1-1 认真观察1~3个不同类型的流体输配管网，绘制出管网系统轴测图。
结合第1章学习的知识，回答以下问题：（1）该管网的作用是什么？（2）该管网中流动的流体是液体还是气体？还是水蒸气？是单一的一种流体还是两种流体共同流动？或者是在某些地方是单一流体，而其他地方有两种流体共同流动的情况？如果有两种流体，请说明管网不同位置的流体种类、哪种流体是主要的。
（3）该管网中工作的流体是在管网中周而复始地循环工作，还是从某个（某些）地方进入该管网，又从其他地方流出管网？（4）该管网中的流体与大气相通吗？在什么位置相通？（5）该管网中的哪些位置设有阀门？它们各起什么作用？（6）该管网中设有风机（或水泵）吗？有几台？它们的作用是什么？如果有多台，请分析它们之间是一种什么样的工作关系（并联还是串联）？为什么要让它们按照这种关系共同工作？（7）该管网与你所了解的其他管网（或其他同学绘制的管网）之间有哪些共同点？哪些不同点？答：选取教材中3个系统图分析如下表：图号图1-1-2 图1-2-14（a）图1-3-14(b)问（1）输配空气输配生活给水生活污水、废水排放问（2）气体液体液体、气体多相流，液体为主问（3）从一个地方流入管网，其他地方流出管网从一个地方流入管网，其他地方流出管网从一个地方流入管网，其他地方流出管网问（4）入口及出口均与大气相通末端水龙头与大气相通顶端通气帽与大气相通问（5）通常在风机进出口附近及各送风口处设置阀门，用于调节总送风量及各送风口风量各立管底部、水泵进出口及整个管网最低处设有阀门，便于调节各管段流量和检修时关断或排出管网内存水无阀门问（6）1台风机，为输送空气提供动力1台水泵，为管网内生活给水提供动力无风机、无水泵问（7）与燃气管网相比，流体介质均为气体，但管网中设施不同。
与消防给水管网相比，流体介质均为液体，但生活给水管网中末端为水龙头，消防给水管网末端为消火栓。
与气力输送系统相比，都是多相流管网，但流体介质的种类及性质不同。
气液两相流.pdf
第一种方式主要有电容式和压电式压力传感器，电子设备将两压力传感器输入的电信号
相减即可换算得两测压点之间的压降。适用于需要快速时间响应的场合，但是有明显的缺点，
将两个独立测出的电信号再进行相减会引起误差增大。使用此法时应对两个压力传感器进行
校准，力求使输出信号能较精确地变换成所需测定的压降。第二种方式主要有磁阻式差压传
当复杂的问题，
。在单相流中，经过一段距离之后，就会建立一个稳定的速度场。但对于两
相流，例如蒸汽和水，则很难建立一个稳定的流动，因为在管道流动中有压降产生，由于此
压降作用会产生液体的蒸发，所以在研究气液两相流时必须考虑两相间的传热与传质问题。
两相流学科还处于半经验半理论阶段，对于两相流的流动和传热规律进行研究时，除了
∆ = ∆ℎ + ∆ + ∆
（2.5）
式中∆ℎ 为位能损失，∆ 为加速度损失，∆ℎ 为根据平均空隙率而由∆ℎ = [ +
(1 − ) × ]确定的值（H为测定区间的高度）。在两相流中，直接测定的值是∆ ，而摩
擦损失∆ 是要从式（2.5）算出的值。所以，若∆ 的定义不同，∆ 的值当然也于差压传感器传递
压降时，膜片位移很小，因而导压管中流体流动量较小时，气泡不易进入导压管，测量结果
更精确。当应用差压传感器测量压降时，需用导压管将测压点和差压传感器连接，此时导压
管中也要全部充满液体。
2.3 两相流摩擦损失的计算
两相流的全压损失∆ 被定义为由下列诸要素组成：
从上面的方程式可知，为了从差压计得到压降，确定取压管中流体密度 是十分重要的，
这意味着取压管中的流体必须为单相液体或气体。因此在测量两相流压降时，需要一个装置
第6章—自然循环原理及计算
在自然循环锅炉的水冷壁中，在非正常运行状态下一旦出现第二 类传热恶化，虽然开始时壁温并不太高，但含盐量较高的炉水水 滴润湿管壁时，盐分沉积在管壁上，也会造成传热恶化。 膜态沸腾
当水冷壁管受热时，而管中心的水不断地向壁面补充，这时的管 内沸腾被称为核态沸腾。 如果管外的热负荷很高，汽泡就会在管子内壁面上聚集起来，形 成完整稳定的气膜，热量通过气膜层传到液体再产生沸腾蒸发， 此时管子壁面得不到水膜的直接冷却，就会导致管壁超温，这种
Ｐmc＝
Ｌ
2 hu
ｄ2
hu
式中ωhu——汽水混合物流速，m/s； ρhu——汽水混合物密度，kg/m3； Ψ——两相流体摩擦阻力修正系数。
Ψ值由试验确定，国内采用的方法是：
30
(1) ρω＝1000kg/(m2.h),
(1 )(1000 1)
1
1
(2) ρω＜1000kg/(m2.h),
S＝１＋0.4＋２ (1－ p )
o
plj
Ｓ的物理意义比较清楚，当ω〃＞ω＇，Ｓ＞１，为汽
水混合物向上流动工况；当ω〃＜ω＇，Ｓ＜１，为混
合物向下流动工况；当ω〃＝ω＇，Ｓ＝１，为均相流
动工况，即
29
四、两相流体的流动阻力
为了简便计算两相流体流动阻力，可采用单相流体流动阻力计算 公式的形式，带入均匀混合的汽水混合物的流速和密度，然后用 修正系数考虑汽液相对速度和流型对流动阻力的影响。两相流动 的摩擦阻力计算公式为：
3、总压差
P2=P0+ ρssgh- △Ｐss
下降管侧压差：
Ｙxj＝P1-P0＝ρxjｇh－△Ｐxj ，Ｐa 上升管侧压差：
Ｙss＝P2-P0＝ρhugh＋△Ｐss ，Ｐa
第6章 水平气液两相管流.
l
Dg
—两相流动中，液相的沿程阻力系数；
g —两相流动中，气相的沿程阻力系数；
Dl —单相液流的水力相当直径； vl —液相的实际速度；
L—管路的长度；
—单相气流的水力相当直径；
v g —气相的实际速度；
l —液相的密度；
g
—气相的密度。
洛克哈特—马蒂内利方法
液相和气相的实际速度，由以下两式计算：
3 ．层状流 气体量再增多，气团连成一
片。气相与液相分成具有光滑界面的 气体层和液体层
4．波状流 气体量进一步增多，流速提
高，在气液界面上引起波浪。
流动型态
5．冲击流 又称段塞流，气体流速更大
时，波浪加剧。波浪的顶部不时可高
达管壁的上部。此时，低速的波浪将
阻挡高速气流的通过，然后又被气流 吹开和带走一小部分。被带走的液体，
5 n 2
l
p l2psl
2 l
—分液相折算系数。
洛克哈特—马蒂内利方法
同理
p m2 D D psg g
5 m 2 g
或
m2 D p 2 D psg g
5 m 2
g
所以
2 p g psg
Bl 、 B g 、n 及 m 一常数。
g ——气相的粘度；
l vl Dl Re l l
Ql l Dl Al
l
Gl
l
l
l
4
Dl2
Dl 4Gl Dl l
洛克哈特—马蒂内利方法
整理前式，按液相计算的 两相流动压降为：
L vl2 p l l Dl 2
化工原理第六章第六节 板式塔
2013-1-7
2．塔板上的液面落差
液面落差：塔板进出口清液层高度差 减少液面落差的措施： 多溢流。
2013-1-7
当液体横向流过塔板时，为克服板上的摩擦阻力和板
上部件（如泡罩、浮阀等）的局部阻力，需要一定的液位
差，则在板上形成由液体进入板面到离开板面的液面落差。 液面落差也是影响板式塔操作特性的重要因素，液面落差 将导致气流分布不均，从而造成漏液现象，使塔板的效率 下降。因此，在塔板设计中应尽量减小液面落差。
2013-1-7
3．筛孔塔板
2013-1-7
筛孔塔板简称筛板，其结构如图所示。塔板上开有许多均
匀的小孔，孔径一般为3～8mm。筛孔在塔板上为正三角形排
列。塔板上设置溢流堰，使板上能保持一定厚度的液层。 操作时，气体经筛孔分散成小股气流，鼓泡通过液层， 气液间密切接触而进行传热和传质。在正常的操作条件下， 通过筛孔上升的气流，应能阻止液体经筛孔向下泄漏。 筛板的优点是结构简单、造价低，板上液面落差小，气 体压降低，生产能力大，传质效率高。其缺点是筛孔易堵塞， 不宜处理易结焦、粘度大的物料。 应予指出，筛板塔的设计和操作精度要求较高，过去工业 上应用较为谨慎。近年来，由于设计和控制水平的不断提高， 可使筛板塔的操作非常精确，故应用日趋广泛。
2013-1-7
奥康内尔收集了
几十个工业塔的塔板
效率数据，认为对于 蒸馏塔，可用相对挥 发度与进料液体黏度 的乘积αμL作为参数来
表示全塔效率，关联
曲线见图6-56。
图6-56 精馏塔效率关联曲线
2013-1-7
（二）单板效率（莫弗里板效率）
单板效率又称莫弗里（Murphree）板效率。它用汽相（或液相）经过 一实际塔板时组成变化与经过一理论板时组成变化的比值来表示。
气液两相流动
第五章
第二节
2.2 基本方程
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
⎧分相流动模型 基本流动模型 ⎨ ⎩均相流动模型
一元稳定流动 基本假设 圆管截面压力均匀分布 界面有质量交换 质量守恒 方程内容 动量守恒 能量守恒
第五章
第二节
2.2 基本方程
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
气液两相流体在倾斜管中作分相流动时流体微元段示意图
QL
第五章
第二节
2.1 基本参数
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
6．体积含气率 β 和体积含液率 (1− β )
β = QG / Q = QG / ( QG + QL )
(1 -β ) = QL / Q = QL / ( QG +QL )
用质量含气率表示为：
β = x / [x + (1 - x ) ρG /ρL ]
第五章
第二节
2.1 基本参数
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
1．截面含气率及截面含液率（又称真实含气率及真实含液率）
α = AG / A
1 − α = AL / A
2．质量流量，气相质量流量及液相质量流量
W = WG + WL
第五章
第二节
2.1 基本参数
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
3．质量含气率 x 及质量含液率 (1-x)
12．气液两相流体平均流速
vm = Q / A
第五章
第二节
2.1 基本参数
气液两相流动
气液两相流动基本方程式
13. 循环速度
υC = (WG + WL ) /( Aρ L ) = J G ρG / ρ L + J L
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P Pfi Pgi Pai Pci
i 1 i 1
1 273 t
4
液体体积膨胀系数：
tg v 1 y vt t vt
水蒸汽(实际气体)和高压下理想气体：同液体
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P △
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6.4 两相流通过孔板的压降
一.孔板的功用
1.测量流量和干度； 2.作为增加流动均匀性和稳定性的阻力件。
詹姆斯(James)修正后的公式
4 Wo2 1 ' / '' 1 x1.5 1 d / D pTk 2 2 ' y CA
詹姆斯的实验参数范围如下： P=0.5～1.87MPa; d=14.2～16.8mm; x=0.01～0.56； D=20.05mm
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6.1 概述
一.产生局部阻力的原因
1.局部截面变化或流向变化，引起附面层脱离，并形 成涡流区。 2.产生流型的变化和滑动比变化，引起动量变化，增 加局部压降。 以阀门为例 L 1 2 L
6.5 弯头
两相流通过弯头的局部压降由两部分组成: 1) 在弯头内部发生，由于两相流体流经弯头时 发生涡流和流场变化引起的，与单相流类似； 2) 两相流体流经弯头后发生分离作用，使滑动 比发生变化，引起动量变化产生压降。
'' 2 pw 1 1 ' 1 x 1 x x pwo S lo
Chisholm根据实验数据，提出计算滑速比变化关系式
1.1 1 S 2 R/D
适用条件： 1)90o弯头； 2)R/D=1~5.02
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闸 阀：C=0.5; 截止阀：C=1.3； 调节阀：C与开度有关。
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本章小结
1.两相流产生局部压降的原因？ 2.孔板的作用？ 3.两相流通过弯头的局部阻力有哪几部分组成？ 4.孔板、弯头、阀门的压降计算。 5.管系阻力计算。
6.7 阀门的局部压降
G2 pS s 2 ' ' 1 x '' 1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
s 为两相流体通过阀门时得局部阻力系数； 式中，
s Cso
其中， o为单相流体通过阀门得局部阻力系数； Cs 为校正系数，可按下式计算
' '' x 1 x 1 '' 1 ' Cs 1 C ' 1 x '' 1
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第六章 两相流局部压降计算
本章主要内容：
1. 局部阻力产生的原因 2. 两相流通过孔板、弯头、阀门的压降计算
d 1 2 Wo v D vm v 2 P 1 x 1 P PTk o o lo 2 2 yCA v v
C—孔板流量系数，由实验确定； 16.5 10 6 1 o ψ—孔板热膨胀系数，取决于孔板材料；不锈钢： C 6 1 TA2: 8.6 10 oC ;钛合金：9.4 106 1 o ； C y—单相流体膨胀系数； 理想气体： y
喉部断面
压力能 变化 动能变化 单相流体通过孔板时的流动特征
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二.两相流通过锐边孔板的压降计算
1.均相模型法
实验工质为汽水混合物。
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2. 奇斯霍姆计算法 基本假设： 1) 两相流体通过孔板为不可压缩流体； 2) 忽略上游动量(与Ao处相比）； 3) 流体通过孔板时不发生相变，x=const; 4) 与两相交界面上的剪切力相比，流体与壁面 的剪切力可以忽略。
P 1P 2
d 1 2 j v f D P P 液相单独流过孔板时的压降： 1 2 o 2 yCA2
P1 P2 o
1
K 1 2 X X
4
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