水平管段塞流持液率的波动特性

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水平管道段塞流段塞频率实验研究

段塞形成机理与分层波状流的Ｆｏｄｒｕｅ数、气速、段塞位置有关。刘磊利用平衡液膜理论和界面
程中运行数据采集程序，其中特征数据（采集如时间、流型、流量的平均值、压降的平均值和均方值以及永久保存数据的数据文件名）保存到多相流实验数据库中，而采集的反映多相流波动特征的压差信号保存在数据文件中。下面将对应段塞流型的信号提取进行分析。
罐顶排放。本实验环道采用内径为３ｍ的工程塑２ｍ料管，测试段２个取压点距离为２０５ｍｍ，被测压２
差通过电容式变送器转换成电信号输出。在实验过
Ｂｎｅ＿根据段塞形成机理计算段塞频率，得出ｅｎｔ４ｔ
气经过空气压缩机进入管路中，依次通过气体流量计、电动调节阀后进入静态混合器，再经过流型测
试段和计量测试段后进入油气水三相分离罐中，由
稳定性增长，假设临界波的频率与段塞频率之间存
在线形关系：ｆ＝ｃ，Ｃｗ取２（）水、３、４（）油，即每２个临界波形成一个稳定的段塞。
经验公式归纳了实验结果，这些计算式完全没有考虑流体物性对段塞频率的影响。Ｔｉｌａｅ等人认为ｔ
段塞的形成机理决定其频率，将一维质量和动量守恒方程用于不稳定的明渠流动，通过量纲分析提出

水平管气液两相段塞流的波动特性

第59卷　第11期化工学报 Vol 159　No 111　2008年11月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China ) November 2008研究论文水平管气液两相段塞流的波动特性罗小明,何利民,吕宇玲(中国石油大学储运与建筑工程学院,山东青岛266555)摘要:气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替,在流动过程中表现出间歇性和不稳定性。

系统地研究了水平管中段塞流持液率、压力和压差的波动特性。

结果表明,段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布,高持液率峰对应于液塞区,低持液率峰对应于液膜区;在压力的概率密度分布中,当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目少时,压力分布出现双峰分布;当压力测试点到管道出口之间的段塞单元数目多时,压力分布出现单峰分布;压差信号分布呈单峰分布。

这些特征为流型识别提供了可靠的段塞流标识。

关键词:多相流;段塞流;持液率;压力;压差中图分类号:O 35911 文献标识码:A 文章编号:0438-1157(2008)11-2781-06Fluct uation characteristics of gas 2liquid t wo 2p haseslug flow in horizontal pipelineL UO Xiaoming ,H E Limin ,L ΒYuling(De partment of S torage &T rans portation Engineering ,China Uni versit y of Pet roleum ,Qing dao 266555,S handong ,China )Abst ract :Slug flow was a flow of long bubbles and liquid slugs alternating in space and time ,and under flowing conditions ,it is intermittent and unstable 1The fluct uation characteristics of liquid holdup ,p ressure and differential p ressure of slug flow were investigated in a 40m long ,50mm I 1D 1horizontal pipeline 1By statistical analysis ,it was fo und t hat t he pro bability density dist ribution of t he liquid holdup was bimodal dist ribution 1The high liquid holdup peak was in correspondence wit h liquid holdup of t he slug body and t he low liquid holdup peak wit h liquid holdup of t he film 1The liquid holdup which was in correspondence wit h t he respective peaks of probability density f unction was consistent wit h t he mean liquid holdup of smoot h st ratified film and liquid slug 1Moreover ,t he dist ribution of p ressure was unimodal dist ribution or bimodal dist ribution ,depending on t he number of slug unit s ,and t he differential p ressure dist ribution was unimodal dist ribution 1These characteristics p rovide dependable slug identities for flow pattern identificatio n.Key words :multip hase flow ;slug flow ;liquid holdup ;p ressure ;differential p ressure 2008-05-20收到初稿,2008-07-27收到修改稿。

油气混输管道段塞流模拟及段塞流捕集器设计研究

65段塞流是多相管流最常遇到的一种流型，在许多操作条件下（正常操作、启动、输量变化）混输管道中常出现段塞流。

其特点是气体和液体交替流动，充满整个管道流通面积的液塞被气团分割，气团下方沿管底部流动的是分层液膜。

管道内多相流体呈段塞流时，管道压力、管道出口气液瞬时流量有很大波动，并伴随有强烈的振动，对管道及与管道相连的设备有很大的破坏。

为确保管道下游的工艺装置正常运行，应设计段塞流捕集器[1]。

1 流态及计算关系式1.1 流态TDB流态图以气液相表观流速为纵横坐标，将气液两相流动分为五种流态。

TDB流态图如图1所示。

图1 TDB流态图1.2 计算关系式段塞流的段塞单元由液塞区和液膜区组成。

液塞区不含气相，持液率等于1；液膜区上方有气泡，持液率小于1[2-4]。

（1）布里尔（BRILL）关系式。

最早应用，假设段塞流大小是流体流速和管径的函数。

（2）诺里斯（NORRIS）关系式。

艾克森石油公司开发，假设段塞流大小是管径的函数。

（3）斯科特（SCOTT）关系式。

SCOTT本人的博士论文，和NORRIS方法相同但增加了段塞发展的概念。

目前一般使用SCOTT关系式，且假设液塞长度按对数正态分布，最大液塞长度出现的概率为0.001。

2 段塞流分类2.1 水动力段塞流管道内气液表观流速处于流态图段塞流范围内所诱发的段塞流。

2.2 地形起伏诱发段塞流由于液相在管道低洼处积聚，局部堵塞气体通道而诱发的段塞流，常在低气液流量下发生。

2.3 强烈段塞流通常在两海洋平台间的连接管道上发生。

定义为：液塞长度大于立管高度的段塞流[1]。

油气混输管道段塞流模拟及段塞流捕集器设计研究张庚兴1 石小磊2 丁晗31. 中油（新疆）石油工程有限公司新疆乌鲁木齐 8300262. 新疆金戈壁油砂矿开发有限责任公司新疆克拉玛依 8340003. 中国石油塔里木油田分公司油气生产技术部新疆库尔勒 841000摘要：油气混输管道经常出现段塞流，泰梯尔-杜克勒-巴衲（TDB）流态图将油气两相流动分为五种流态，段塞流可分为三种类型。

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。

水平管道段塞流特征参数试验研究

水平管道段塞流特征参数试验研究
何利民;郭烈锦;陈学俊
【期刊名称】《化学工程》
【年(卷),期】2003(031)004
【摘要】通过对差压波动信号的详细分析,明确了液塞头和液塞尾到达和离开传感器测压点的时刻与差压信号特征点之间的物理关系,提出了采用差压波动信号分析
技术获得液塞速度、液塞长度和液塞频率的计算公式.采用该方法,在室内长24 m、内径0.054 m试验架上以空气-水、空气-柴油和空气-68#机械油为介质进行了实
际测试,经过和文献中数据以及经验公式对比,验证了该测试方法的正确性.
【总页数】5页(P37-41)
【作者】何利民;郭烈锦;陈学俊
【作者单位】西安交通大学,动力工程多相流国家重点实验室,陕西,西安,710049;西安交通大学,动力工程多相流国家重点实验室,陕西,西安,710049;西安交通大学,动力工程多相流国家重点实验室,陕西,西安,710049
【正文语种】中文
【中图分类】O359
【相关文献】
1.石油、天然气储存与运输工程：下倾管段塞流特征参数试验研究 [J], 王海琴;何利民;罗小明
2.下倾管段塞流特征参数试验研究 [J], 王海琴;何利民;罗小明
3.强烈段塞流特征参数试验研究 [J], 罗小明;何利民;马华伟
4.强烈段塞流特征参数测量方法试验研究 [J], 何利民;赵越超;罗小明
5.水平管道段塞流特征参数的压差波动分析 [J], 何利民;郭烈锦;陈学俊
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气液混输管线水动力严重段塞流实验

气液混输管线水动力严重段塞流实验高嵩;尤云祥;俞忠;胡天群;谭练武【摘要】水动力严重段塞流型相比于一般的地形严重段塞流发生范围更广且危害类似,因此需要在工程设计上给予关注.在水平-下倾-立管组合管线实验装置上,针对入口处不同气液两相流量组合,对该种组合管线系统中气液两相流特性开展了实验研究,获得了水平管和立管内气液两相流型图.实验发现,当水平管内流型处于分层流向段塞流过渡阶段时,可能会出现间歇式的阻塞流,该阻寒流如能进入立管,则立管内会出现类似于严重段塞流的流型,称为水动力严重段塞流.对该流型的演化及气液流动过程进行分析,获得了周期及压力波动与入口气液流量之间的相关关系,以及该流型形成机理及其发生范围.实验结果揭示了水动力严重段塞流的相关机理,为工程设计上的危害预防和缓解方案提供了理论基础.%Severe slugging occurs in a wide range of gas and liquid flow rates; such a phenomenon receives considerable attention in engineering studies. Experiments on the gas-liquid two phase flow in a horizontal/inclination pipeline connected with a riser were conducted. The flow patterns in both the horizontal pipeline and riser were presented under a different inlet flux of the gas and liquid. Results show that the blocking flow will occur intermittently in the stage where the flow patterns in the horizontal pipeline are transited from the stratified to the slug flow. Once the blocking flow enters the riser, a new flow pattern will be formed called severe hydrodynamic slugging which has similar characteristics with severe slugging. The forming mechanism and occurrence range of such a severe hydrodynamic slugging were analyzed, and the relationships of the inlet gas and liquid flow rates withthe flow period and pressure fluctuation magnitude were presented. The present experiments provide a theoretical basis for damage prevention and relief designs of such a phenomenon in petroleum production.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2011(032)011【总页数】6页(P1416-1421)【关键词】油气输送;两相流;组合管线;严重段塞流;压力波动【作者】高嵩;尤云祥;俞忠;胡天群;谭练武【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240【正文语种】中文【中图分类】O359.1在海底油气开采过程中，主要通过铺设在海底的管线和连接到海洋平台的立管系统将储存于海底的油气输送到海洋平台上.随着海洋油气开发向深海发展，位于海底的混输管线越来越长，当管内气液流量较低时，容易出现称为严重段塞流(severe slugging)的特殊有害流型.严重段塞流是一种具有很强的周期性的流型，表现为管内压力和出口气液流量呈现周期性剧烈波动，不仅会造成油井大幅减产，而且管线出口的断流和剧烈出流交替出现会给下游处理设备造成问题［1］.这些都会给正常生产带来困难，严重时还会导致停产等事故.此外，严重段塞流的液气强烈喷发还会加剧管壁腐蚀，尤其是对立管管壁的腐蚀，而且喷发带来的压力剧烈波动会引起管道的振动，造成管线接头和支柱的机械损害，缩短其使用寿命，对作业平台的结构强度、安全性和稳定性构成危害［2］.严重段塞流危害程度与立管内流型及物理参数变化规律相关.为此，有必要对该流型的形成机理及其流动特性进行深入研究，以便于寻找有效措施来减缓或避免上述危害.严重段塞流现象自1973年被提出后，引起了国内外学者的广泛关注，文献［3-5］等采用模型试验方法开展深入研究，研究的方向主要集中在严重段塞流产生机理、严重段塞流分类方式、管内流型流态的变化特性、管内液塞速度、液塞长度、压力波动、流动周期等参数的变化特性，以及探索控制缓解其危害的方法等方面，并取得了许多重要成果.本文采用水平管—下倾管—立管管线系统，对水动力严重段塞流特性进行实验研究.在该实验装置中，下倾管段设计得较短，这种设计其目的在于使水平管中的阻塞流进入到下倾管后不会消失，能够在立管中形成水力严重段塞流.在实验中，对出现水动力严重段塞流的气液流量组合及其产生机理与压力波动特性等进行了分析与研究.1 管线系统实验装置介绍实验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室多相流实验系统上进行，实验管道是由水平管、下倾管和立管组成的管线系统，如图1所示.其中，HI段为水平管，长度L2=16.692 m;IJ段为下倾管，长度L3=0.61 m，倾角β=3°;JK段为立管，高度 L4=3.74 m.为了便于观察，管道均采用内径0.026 m的透明有机玻璃管.水路系统主要由集水器、水泵、稳压水箱、液体流量计量及控制器等组成，气路系统主要由空气压缩机、稳压气罐、气体流量计量及控制器等组成.气液混合器设置在H 处，它与液体入口G之间的距离为L1=4.455 m.实验过程中，气体进流流量采用ALICAT公司生产的流量计进行测量，量程范围为0～50 L/min.该流量计同时内置有一个比例调节阀，可通过PID控制器来自动调节阀门开启度，以保证气体进流流量的稳定性.采用美国Thermal Instrument Company生产的9 500型热式质量流量计对液体进流流量进行测量，量程范围为0～50 L/min.液体流量控制器由德国福林公司生产的电动调节阀及虹润精密仪器有限公司生产的PID控制器组成，由PID控制器根据当前液体流量自动调整电动调节阀开启度，以保证液体进流流量.在水平和垂直管段各布置了一台数码摄像机，用来研究水平管与立管中气液两相流型特征及其相关关系，并分析各种流型的产生机理及其演化特征.在下倾管与立管连接弯头处(即图1中J点)，设置了一个压力传感器，用来对管道内压力变化特性进行测量分析，并研究其与相关流型之间的关系，量程范围为0～50 kPa.图1 试验系统示意Fig.1 Sketch of the experiment systemA-气体进口，B-气体流量计量及控制器，C-集水器，D-液体进口，E-水泵，F-稳压罐箱，G-液体流量计量及控制器，H-气液混合器.2 实验描述及结果分析气液两相混输管道中，入口处气液相折算速度是决定管内流型的关键参数，实验主要通过调节入口处气液两相质量流量来实现调节入口处的折算速度.实验介质采用空气和水，试验参数范围为气相折算速度 0.036 ～1.45 m/s，液相折算速度0.036 ～1.45 m/s.实验过程中，首先调节液体流量控制阀，使管道入口处液体进流量保持稳定，打开气阀，调节气体流量观测水平与立管中的流型变化.2.1 水平管与立管中流型特征图2、3给出了管线系统内气液两相流动的流型图.Vsg为气体在出口状态下的折算速度，Vsl为水的折算速度.本次实验中，水平管内共观察到了4种流型，分别为分层流、阻塞流、气团流和段塞流，而在立管中则观察到了5种流型，分别为地形严重段塞流、过渡流型、水动力严重段塞流、气团流及段塞流.当实验系统入口气液体均处于较小流量范围时，水平管和下倾管内皆为光滑分层流，液体在下倾管与立管交接处(即管道系统的几何最低点)积聚，在立管中出现地形严重段塞流I型，这是一种液塞长度超过立管高度的流型，也是目前文献中报道最多的一种最为典型的流型，包括4个流动阶段:液塞形成、液塞出流、液气喷发和液体回流.在这种流型下，立管内部有较大的流量和压力波动，在立管出口出现周期性断流和剧烈液气喷发的交替现象.保持液体为小流量，增加入口气相流量，此时立管内液塞增长带来的压力增加速度开始小于水平-下倾管内气体累积产生的压力增长速度，使得液塞头部在还未到达立管顶部时，气体就进入立管开始喷发，即出现严重段塞流II型流态.对地形严重段塞流II型，没有液塞出流阶段，在液塞形成阶段尚未完成之前，气体就进入立管形成液气喷发现象，该流型也会出现周期性断流和剧烈液气喷发的现象，破坏及影响程度与地形严重段塞流I类似，但是由于液塞长度小于立管高度，使得下游处理设备较易接纳.图2 水平管流型Fig.2 The flow patterns of the horizontal pipeline图3 立管流型Fig.3 The flow patterns of the riser进一步增加气相流量，立管内流型的变化取决于水平管流型.当水平管内仍然保持为分层流动时，如果立管根部累积的液塞无法堵住气体，而进入立管气体流量也不足以形成环状流，立管内流态为介于地形严重段塞流II与环状流之间的过渡流型，表现为液体在气流和重力共同作用下反复震荡，直至立管内累积了足够多的液体，气流携带液体喷出管外，即为气液混合的弥散流.如果水平管内出现阻塞流型，立管内则出现水动力严重段塞流型.所谓阻塞流是指，在水平管内某处出现一段水平液塞，而其余部分保持为分层流.该液塞到达下倾管与立管交接处后，会堵住立管根部，阻止气流进入立管，此时在立管中会出现类似于地形严重段塞流的流型，称其为水动力严重段塞流.增加入口处液体进流量，但保持水平-下倾管内仍为分层流.当气体流量较小时，立管内出现地形严重段塞流III型，这种流型的主要特点是:在液塞形成阶段，即出现液气间隔性喷发现象，喷发阶段结束之后立管内充满液体.地形严重段塞流III型在立管出口没有断流现象，且其流动过程只有液塞形成、液塞出流和液气喷发3个阶段，其造成的压力波动也小于I型和II型，属于一种过渡流型.如果进一步加大气体流量，水平管内也可能会出现阻塞流，此时立管内出现水动力严重段塞流型.关于这种水动力严重段塞流的相关特性问题，将在后文做详细讨论.进一步加大入口处液体进流量，水平管内分层流消失.当气体流量较小时，整个管线系统呈现气团流动;而当气体流量较大时，整个管线系统呈现段塞流动.2.2 水平管阻塞流形成原理立管内的水动力严重段塞流型是由水平管内的阻塞流型引起的.当水平管为分层流时，随着气体流量的增加，管内的光滑分层流转变为波浪分层流，且气体流量越大，波浪分层流的波动幅值也越高，而水平管并非绝对水平，最终在某个地势较低处，液体形成的波面堵住管道，并形成一段液塞，即阻塞流.这是阻塞流形成的主要原因之一.此外有其他非预期的扰动也可能会形成阻塞流.阻塞流形成的液塞段将水平管内气体分隔成两部分，如图4所示.在液塞前后水平管内流型仍为分层流.该段液塞在其尾部气体的推动下向水平管下游流动，进入下倾管，并汇入下倾管与立管交接处形成积液，堵住立管根部，阻止气流进入立管，造成下倾管内气体被压缩，形成严重段塞流流型.由图2可见，阻塞流只存在于较小液体流量和较大气体流量范围内，当水平管内分层流消失，形成稳定气团流时或段塞流时，该流型消失，立管内流型也相应变化.图4 水平管阻塞流型Fig.4 Blocking flow pattern in the horizontal pipe水平管内阻塞流形成的原因主要为管内持液率较高，当液面在气流作用下呈波浪状运动时，如果遇到扰动或者凹点，波面突然上升堵住管道，形成一段孤立的液塞，并在其后气流的推动下向下游流动.如果阻塞流的形成是由水平管几何形状和入口气液流量决定的，该流型就有一定周期性，即具有可持续性;如果阻塞流的形成是由非预期的扰动决定的，就不存在周期特性，不具有可持续性.此外，阻塞形成的液塞在其沿水平管向下游流动过程中，有可能会进入立管，但也有可能会在水平管或下倾管中消失，这主要由其尾部压力和分层流的持液率共同决定.液塞尾部的气体推动会使液塞后缘不断增加，导致液塞变长，称为“铲起”;同时，由于重力、压力等因素，段塞前缘不断消失，导致液塞变短，称为“泄落”.当立管根部被堵住，形成长液塞时，液塞前部压力大于尾部，此时形成的液塞逐渐消失;而当立管根部未被堵住，立管内为过渡流型或者处于液体回流阶段时，导致阻塞流前部压力小于尾部，液塞流向下游并逐步增长，直到进入立管形成长液塞并封住气流，发生严重段塞流.2.3 水动力严重段塞流特性分析实验中观测到了地形严重段塞流Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型，以及水动力严重段塞流共4种严重段塞流型.在图5中，给出了4种严重段塞流下立管根部压力随时间的变化规律. 由图5可知，无论是地形严重段塞流还是水动力严重段塞流都有很好的周期特性，这也说明了实验中观察到的水动力严重段塞流不是由意外的扰动引发的，而是管线几何形状和流量等因素共同导致的.从图5(a)～(c)可见，对地形严重段塞流，立管内根部压力波动剧烈，根据其在立管内的流态变化，可以把一个周期分为4个阶段，依次为液塞形成、液塞出流、液气喷发和液体回流，其中Ⅰ型拥有全部4个阶段，Ⅱ型没有独立的液塞出流阶段，Ⅲ型没有回流阶段.同时，当地形严重段塞流发生时，在液体回流和液塞形成阶段，在立管出口处出现断流现象，在液塞出流和液气喷发阶段，在立管出口处出现剧烈出流现象，这2种现象交替发生，循环往复［10］.由图5(d)可知，对水动力严重段塞流，在立管内的流态比地形严重段塞流态要复杂一些，在水动力严重段塞流的一个周期内一般包含5个阶段:液塞形成、液塞出流、液气喷发、液体回流和液体振荡.液体振荡阶段是指，在液体回流阶段之后，由于立管内液体含量较少，不足以流出管外，也不能堵住气流，在重力和气流共同作用下往复振荡，将该流态定义为液体振荡.图5 立管根部压力变化特性Fig.5 The pressure characteristics at the bottomof the riser实验中所观察到的水动力严重段塞流，只有液塞形成、液气喷发、液体回流和液体振荡4个阶段，没有出现液体出流阶段，称其为水动力段塞流Ⅱ型.理论上讲水动力学严重段塞流Ⅰ型也应该是存在的，这可能与本实验系统中水平管长度还不够长有关，这将在后续研究中进一步探索.严重段塞流Ⅲ型的主要特征为喷发结束后立管内充满液体，而水动力严重段塞流发生机理是水平管内出现了阻塞流型，该流型产生的液塞能否进入立管的前提为立管没有被液塞堵住，所以在前一段液塞喷发结束之前不会产生新的长液塞，即不存在水动力严重段塞流Ⅲ型，实验也没有做出该种流型.实验观测到水动力严重段塞流发生时，立管出口仍为断流和剧烈出流交替出现的现象，其中断流发生在液塞形成、液体回流和液体振荡阶段，出流发生在液塞出流和液气喷发阶段.图6 立管严重段塞流周期变化特性Fig.6 Severe slugging periodic characteristics of the riser图7 立管内压力波动幅值变化特性Fig.7 Pressure fluctuation magnitude characteristics of the riser在图6～7中，给出了严重段塞流周期和立管根部压力波动幅值随气液折算速度变化特性的实验结果.其中，液体折算速度为 vsl为 0.036、0.049、0.07 m/s，气体折算速度从0.036 m/s变化到 1.1 m/s，图中横坐标为气体折算速度，图6中纵坐标表示为严重段塞流周期，图7中纵坐标为立管根部压力波动幅值，即一个周期内立管根部压力最大值和最小值之差.结合图3可知，当液体折算速度为 vsl=0.036 m/s，气体折算速度从小到大变化时，立管内依次仅出现地形严重段塞流Ⅰ和Ⅱ型，其周期及压力波动幅值随着气相折算速度增大而呈幂函数规律逐渐减小.当液体折算速度变为vsl=0.049 m/s，而气体折算速度小于0.543 m/s时，立管内依次出现地形严重段塞流Ⅰ、Ⅱ和Ⅱ型，其周期仍呈幂函数规律逐渐减小.当气体折算速度达到0.543 m/s后，水平管内出现阻塞流，而立管内流型变为水动力严重段塞流型，其流动变化仍保持周期性，但其周期随气体折算速度增加而增加，达到某一最大值后又随着气体折算速度的增加开始逐渐减小，直至水平管内阻塞流型消失.对于压力波动幅值，当阻塞流出现时，其值随着气相折算速度增加逐步增加，达到某一极值点后，又随气相折算速度增加而减小，直至阻塞流型消失.当液体折算速度为vsl=0.07 m/s时，其变化规律与vsl=0.049 m/s的情况类似.传统的地形严重段塞流的危害主要体现在:长液塞的迅速出流超出下游设备的处理能力，液气喷发容易诱发管线振动，下游设备长期经受冲击，以及管线内存在剧烈的压力和流量波动等［3］.水动力严重段塞流型也具有上述的危害，且该流型通常发生于气流速度较高的情况，其破坏力也是不可忽视的.因此，海洋输油管线系统内的水动力严重段塞流型也应是海底采油工程中需要关注和深入研究的内容之一.3 结论利用水平—下倾—立管组合管线系统，在气液进流量的多种组合下开展了实验研究，获得了水平管及立管内的流型图，重点研究了水动力严重段塞流形成机理、周期及其压力波动特性，并与地形严重段塞流的相关特性进行比较，得到以下结论: 1)水动力严重段塞流型在气体速度较高情况下出现，相比于地形严重段塞流，其发生范围较广，这大大拓宽了传统严重段塞流的范围，需要在工程设计上加以关注.2)水动力严重段塞流型具有周期特性，并会导致立管内部发生较为剧烈的压力波动.当液体流量值固定时，该流型周期和压力波动幅值存在一个极值点，并最终随气相折算速度的增加而消失.3)水动力严重段塞流的成因较为复杂，不仅与水平和下倾管线几何形状及相关几何参数有关，还与气液流量组合、流体物性等多种因素相关.因实验条件所限对其成因只进行了初步探讨，还有待于做更进一步的研究工作.参考文献:【相关文献】［1］李晓平，宫敬，沈建宏。

立管系统泡状流和段塞流的流动特性研究

立管系统泡状流和段塞流的流动特性研究近年来，由于线性稳定性和非线性稳定性，流动学及它在工程中的应用受到越来越广泛的关注。

在石油、化工、热能动力工程、水文工程、农业灌溉、矿产资源勘查等工程领域，流动特性研究对优化设计、提高工艺效率和优化管道系统性能等都具有重要的意义。

一般来说，在管道流动系统中，流动可以分为两类：瞬时流动和持续流动。

瞬时流动表明流体仅在给定的时间间隔内发生流动，这种流动通常发生在比较短的时间内。

持续流动指的是管道流体持续流动的情况，例如泡状流、段塞流和对流均可被看作是持续流动的一部分。

泡状流是一种高效流动，它采用两种不同的流体状态进行流动，分别是泡状流和非泡状流。

在流量较小的情况下，泡状流有助于提高系统的效率。

泡状流的流动特性的主要特点是，起始传输开始时，流量呈波动变化，每段传输以较低的初速度开始，随着传输的持续，流速逐渐增加，到达最高流速后，保持一个稳定的速度，之后流速会逐渐减小，直到流速下降到零。

段塞流是一种独特的流动状态，它特别适用于管径窄、长度大、流量低的情况。

其特点是，当流体流过一段流动时，它形成了一个均匀的流动段，在这段流动段中，出口流量保持稳定，而入口流量随时间的变化而改变。

因此，本文的目的是研究立管系统泡状流和段塞流的流动特性，以改善立管系统的流动性能。

首先，介绍了泡状流和段塞流的特性、流动机制及其影响因素，然后进行实验研究，采用试验管道测量流速、压力及噪声等参数，对立管系统泡状流和段塞流的流动特性进行研究。

实验结果表明：在给定的泵性能下，泡状流的流动特性具有以下特点：入口流量低于一定值时，泵的出口流量可以稳定地保持在一个较低的水平；当入口流量增加时，出口流量逐渐增加，流速以一定的步长增加；当入口流量高于某个值时，出口流量可以保持稳定，但是入口流量会影响出口流量波动的幅度；在较窄的管径下，由于增加的摩擦力，流量有一定的振幅，这是泡状流的一个独特性。

此外，研究结果表明，在给定的泵性能下，段塞流的流动特性具有以下特点：出口流量在一段时间内保持稳定，但入口流量随时间变化而变化，但不影响出口流量。

水平管道油气二相段塞流稳态流动特性

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段塞流是气（）二相流比较常见的流型。油汽液气混输工程中，在许多操作条件下，包括正常操作、启

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第23卷第4期高校化学工程学报No.4 V ol.23 2009 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug. 2009文章编号：1003-9015(2009)04-0719-05水平管段塞流持液率的波动特性罗小明, 何利民, 吕宇玲(中国石油大学储运与建筑工程学院, 山东东营 257061)摘要：气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替，在流动过程中表现出间歇性和不稳定性。

今对水平管中段塞流持液率的波动特性进行了分析。

结果表明：在同一折算液速下，随着折算气速的增加，段塞单元的平均持液率和液膜持液率先快速下降再缓慢下降，而液塞持液率先缓慢下降再快速下降。

段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布，高持液率峰对应于液塞区，低持液率峰对应于液膜区；概率密度函数中较完好的峰所对应的持液率与光滑分层液膜区和液塞区的平均持液率相一致。

关键词：多相流；段塞流；持液率；概率密度分布中图分类号：O359.1 文献标识码：AFluctuation Characters of Liquid Holdup for Slug Flow in Horizontal PipelineLUO Xiao-ming, HE Li-min, LÜ Yu-ling(Department of Storage and Transportation Engineering, China University of Petroleum,Dongying 257061, China)Abstract: Gas-liquid slug flow is an alternation of long bubbles and liquid slugs in space and time, and under flowing conditions, it is very intermittent and unstable. The fluctuation characters of liquid holdup of slug flow were investigated in a 40 m long, 50 mm I.D. horizontal pipeline. The results indicate that, at the same liquid superficial velocity, the mean liquid holdup of slug unit and liquid holdup of film decrease sharply at first and then decrease slowly with the increase of gas superficial velocity, while liquid holdup of slug body decreases slowly at first and then decreases sharply. For the slug flow, the probability density distribution of the liquid holdup is bimodal distribution. The high liquid holdup peak is in correspondence with liquid holdup of the slug body and the low liquid holdup peak corresponds with liquid holdup of the film. The liquid holdup which corresponds with the preferable peaks of probability density function is in consistent with the mean liquid holdup of smooth stratified film and liquid slug.Key words: multiphase flow; slug flow; liquid holdup; probability density distribution1 前言气液两相段塞流是液塞和长气泡在空间和时间上的交替，液塞和长气泡组成的段塞流单元沿管道运动。

由于其流动的间歇性，会引起管道中持液率和压力的急剧波动，并使得运行在该流型下的运输管道不得不承受间歇性的应力冲击。

段塞流单元由液塞区和液膜区组成。

液塞区可分为两部分，前端为一定长度的高含气混合区，其余为边界层充分发展区。

液膜区根据流动条件的不同，液膜或为光滑液膜，或为光滑液膜与波状液膜的组合。

Nishikawa等人[1]对垂直上升管内气液两相流压力波动的统计特性进行了分析，结果表明段塞流的频率和平均压力分布曲线一般具有两个峰。

赵庆军等人[2]提出水平管段塞流压差信号的概率密度分布呈单峰分布，而压力信号呈多种分布。

段塞流的持液率是流型转换的重要标志，收稿日期: 2008-01-08; 修订日期: 2008-05-28。

基金项目：国家自然科学基金(50676109)。

作者简介：罗小明(1980-)，男，江苏南通人，中国石油大学讲师，博士。

通讯联系人：罗小明，E-mail：luo-xiaoming@720 高校化学工程学报 2009年8月也是Dukler 和 Hubbard [3]、Nilcholson [4]、Kokal 和Stanislav [5]以及Taital 和Barnea [6]等人所研究的各种段塞流模型所要用到的初始变量，更能真实反映段塞流动特性。

罗小明[7]对段塞流的液塞长度波动进行了非线性分析。

王海琴[8]对水平管段塞流持液率波动规律进行研究，并与部分研究者的液塞持液率关联式进行了比较。

赵越超[9]认为可以通过持液率的波动情况来确定液塞频率，并发现气相折算速度较低时，持液率概率密度函数为双峰分布，而气相折算速度较高时为单峰分布，但并未深入分析液塞区和液膜区持液率变化规律。

本文将在前人研究基础上深入研究水平管段塞流持液率波动特性及液塞区和液膜区持液率变化规律。

2 试验系统试验系统由水罐、离心泵、压缩机、气体缓冲罐、气相金属浮子流量计、液相椭圆齿轮流量计、精密调节阀、隔板式气液混合器、测试管段和气液分离器等组成。

测试管段为内径50 mm ，长40 m 的水平不锈钢管道(其中布置2m 长的透明有机玻璃管段)，系统流程如图1所示。

本研究采用两组自制环形电导探针测试截面持液率信号。

环形电导探针采用直径为0.6 mm 的不锈钢丝制作电极，环形电极嵌入有机玻璃管的内壁凹槽中，并与管内壁平齐。

两电极之间严格平行，间距为5 mm 。

电导探针的输入信号是峰-峰值为10 V ，频率为100 kHz 的正弦波信号。

电导探针输出的信号进入自制的处理电路。

该信号处理电路包括4部分：电流-电压转换电路；全波整流电路；量程调整；二阶低通有源滤波。

为了弄清电导探针的输出信号与持液率的定量关系，对其进行了标定。

电导探针的最大相对不确定度为1.696%。

数据采集使用NI PCI-6071E 高速采集卡，采样频率为2 kHz ，采用DIFF 接线方式，采用小波自适应滤波方法进行滤波。

试验介质为空气和水；试验工况：折算气速U SG =2~20 m ⋅s −1，折算液速U SL =0.2~2.1 m ⋅s −1。

3 段塞流持液率特性3.1 持液率时间序列图2为环形电导探针测得的持液率波动。

从图中可以看出，段塞流呈类周期性的波动特征。

图2(a)为折算气速增加时气液两相段塞流持液率波动的变化图，随着折算气速的增加，液塞及液膜的平均含气率均增加(即持液率均降低)；同时，段塞流的液膜区占段塞单元的比例增加，而液塞区占段塞单元的比例减少。

图2(b)是折算气速恒定，折算液速增加时五种工况下的持液率波动信号。

随着折算液速的增加，液塞及液膜的平均持液率均增加；段塞流的液膜区占段塞单元的比例减小，而液塞区占段塞单元的比例增加。

同时随着折算液速的增加，液塞频率快速地增加。

还可以看出，折算液速对段塞频率的影响远大于折算气速。

3.2 持液率时间序列的概率密度图3为段塞流持液率时间序列的概率密度函数，分析发现段塞流持液率的概率密度分布为双峰分布，其中：高持液率峰对应于液塞区，低持液率峰对应于液膜区。

图1 两相流试验系统示意图Fig.1 Diagram of gas-liquid two phase flow test looppressor2.gas buffer tank3.control valve4.float flow meter5.mixer6.test section7.separator8.liquid tank9.centrifugal pump 10.control valve 11.elliptic gear flow meter第23卷第4期罗小明等：水平管段塞流持液率的波动特性 721P D F h lhl (a)0.00.40.81.20.000.090.18(a1)0.00.40.81.20.000.060.12 (a2)0.00.40.8 1.20.000.070.14(a3)0.00.40.81.20.000.060.12 (a4)0.00.40.81.20.000.040.08 (a5)0.00.40.81.20.00.10.2(b1)0.00.40.81.20.000.060.12 (b2)0.00.40.81.20.000.050.10 (b3)0.00.40.81.20.000.040.08 (b4)0.00.40.81.20.000.040.08(b5)P D F h lhl (b)图3 持液率的概率密度函数Fig.3 Probability density function of liquid holdupU SL =0.43 m ⋅s −1, U SG =7.00 m ⋅s −1U SL =0.43 m⋅s −1, U SG =4.67 m ⋅s −1U SL =0.43 m⋅s −1, U SG =3.11 m ⋅s −1U SL =0.43 m ⋅s −1, U SG =2.18 m ⋅s −1U SL =0.43 m ⋅s −1, U SG =1.24 m ⋅s −1U SL =1.13 m ⋅s −1, U SG =2.18 m ⋅s −1U SL =0.85 m ⋅s −1, U SG =2.18 m ⋅s −1U SL =0.57 m ⋅s −1, U SG =2.18 m ⋅s−1U SL =0.28 m ⋅s −1, U SG =2.18 m ⋅s −1U SL =0.14 m ⋅s −1, U SG =2.18 m ⋅s −10.00.51.0 (b1)0.00.51.0(b2)0.00.51.0(b3)0.00.51.0(b4)0.00.51.0(b5)h lt / s (a)h lt /s (b)图2 段塞流的持液率波动Fig.2 Liquid holdup fluctuation of slug flowU SG =2.18 m ⋅s −1, bl: U SL =0.14 m ⋅s −1, b2: U SL =0.28 m ⋅s −1 b3: U SL =0.57 m ⋅s −1, b4: U SL =0.85 m ⋅s −1 b5: U SL =1.13m ⋅s −1U SL =0.43 m ⋅s −1, al: U SG =1.24 m ⋅s −1, a2: U SG =2.18 m ⋅s −1 a3: U SG =3.11 m ⋅s −1, a4: U SG =4.67 m ⋅s −1, a5: U SG =7.00m ⋅s −151015200.00.51.00.00.51.00.00.51.00.00.51.00.00.51.0(a1)(a2)(a3)(a4)(a5)图3(a)是折算液速恒定，折算气速增加时的持液率时间序列的概率密度分布。