油氣儲(chǔ)運(yùn)畢業(yè)論文

1、<p>　　油氣混輸管路內(nèi)的流型特征及其識(shí)別方法</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1課題背景</b></p><p>　　氣液兩相流的宏觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及它與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用是兩相流體力學(xué)的主要研究?jī)?nèi)容之一。氣液兩相流的研究，是隨著工業(yè)技術(shù)的需要而發(fā)展起來(lái)

2、的。特別是本世紀(jì)40年代后，由于動(dòng)力工程﹑化學(xué)工程﹑石油工程﹑原子能工程﹑航天工程以及環(huán)境保護(hù)工程的興起和發(fā)展，氣液兩相流的研究日益得到重視，促使它形成為一門完整的應(yīng)用基礎(chǔ)學(xué)科。廣義而言，氣液兩相流動(dòng)屬流動(dòng)力學(xué)的研究范疇之一，流動(dòng)力學(xué)的基本方程也適用于氣液兩相流。但由于在氣液兩相流中，存在氣液兩相間的相互作用，因此兩相流動(dòng)問題較單相流動(dòng)問題要復(fù)雜的多，兩者間在本質(zhì)特征上也有較大的不同。氣液兩相流流型的復(fù)雜性和多樣性就是顯著區(qū)別于單相流動(dòng)

3、的特點(diǎn)之一。</p><p>　　兩相流流型是兩相流的結(jié)構(gòu)形式。對(duì)于流型形成機(jī)制及其特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)，是兩相流的機(jī)理及其規(guī)律研究的重要組成方面，同時(shí)也直接關(guān)系到對(duì)兩相流學(xué)科中其他問題的分析研究。例如，對(duì)于氣液兩相流問題的分析處理，經(jīng)常采用基于流型的方法，即首先分清氣液兩相流的流型，然后根據(jù)各種流型的特點(diǎn)，分析其流動(dòng)特性并建立關(guān)系式。這種方法考慮了兩相流的流型特征，具有較強(qiáng)的針對(duì)性。</p><p&g

4、t;　　流型研究在工程中也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在涉及到氣液兩相流動(dòng)的管路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，流動(dòng)壓降是基本參數(shù)之一，而兩相流壓降與流刑具有密切關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的質(zhì)量流量下，不同流型下的流動(dòng)阻力可以變化幾倍甚至幾十倍。不同的流型，將會(huì)使管道受到不同頻率分布特性的作用力，這將直接關(guān)系到管道結(jié)構(gòu)的減振設(shè)計(jì)，以確保管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行。為了進(jìn)行多相流動(dòng)參數(shù)的測(cè)量和計(jì)量，流型也是必須考慮的重要因素。因?yàn)榱餍偷淖兓鶗?huì)造成測(cè)量裝置的顯著改變。另外

5、，不同的流行具有不同的傳熱﹑傳質(zhì)特性，這對(duì)于化工﹑動(dòng)力等過程的工藝技術(shù)也至關(guān)重要。</p><p>　　氣液兩相流流型與兩相間界面的形狀及其組合變化密切相關(guān)，流型的發(fā)展與穩(wěn)定往往是相對(duì)的（例如，在長(zhǎng)距離管線中，由于沿程狀態(tài)參數(shù)的變化，流興會(huì)發(fā)生改變），從而導(dǎo)致流型問題變化復(fù)雜。早期的研究者為了方便，常常用各單相流型（層流或紊流）的不同組合為描述多相流模型并以此建立計(jì)算模型或在此基礎(chǔ)上根據(jù)質(zhì)量流速﹑壓力等參數(shù)進(jìn)行修

6、正以提高模型的精度。例如對(duì)于氣液兩相流的壓降計(jì)算模型的研究就是如此。顯然，這種流行描述方法比較粗糙。目前常用的流行分類方法是根據(jù)流動(dòng)形態(tài)分類。這種分類方法比較直觀，但流型確定容易受到觀察者主觀因素的影響。目前對(duì)于流型的分類方法還沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這是流型研究需解決的問題之一。另外，如何根據(jù)流動(dòng)條件確定流型，以及如何在流動(dòng)過程中實(shí)時(shí)的利用流動(dòng)狀態(tài)信息確定流型也是目前在流行研究及工程應(yīng)用中迫切需要解決的問題。本文針對(duì)上述問題進(jìn)行評(píng)論，以期

7、反映近年來(lái)對(duì)于氣液兩相流流型問題的研究狀況。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外多相流基礎(chǔ)理論</p><p>　　近年來(lái)國(guó)際上對(duì)多相流的研究興趣在持續(xù)增長(zhǎng)，其原因在于多相流不僅在一系列現(xiàn)代工程中得到廣泛應(yīng)用而且對(duì)促進(jìn)這些工程設(shè)備的發(fā)展和創(chuàng)新也起到了重要作用.涉及多相流的工程設(shè)備有新型的相變換熱器、鍋爐、蒸發(fā)器、凝結(jié)器、空間設(shè)備、制冷機(jī)、核反應(yīng)堆、分離設(shè)備、過濾設(shè)備、流化床反應(yīng)器、氣力輸送設(shè)

8、備、液力輸送設(shè)備、石油工程設(shè)備和多相流泵等。每年發(fā)表的有關(guān)多相流方面的論文數(shù)以千計(jì)，因此要在一篇論文中對(duì)近期多相流研究工作進(jìn)行全面綜述，實(shí)非易事.本部分?jǐn)M對(duì)其中的一些有關(guān)多相流研究的新課題、具有實(shí)用意義的新項(xiàng)目以及能促進(jìn)多相流學(xué)科發(fā)展的新研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了扼要的論述。</p><p>　　1.2.1多相流流型及流型圖</p><p>　　多相流流型和流型圖對(duì)確定多相流的組分、分相流壓力降和傳熱

9、系數(shù)是十分重要的.此外，流型對(duì)建立多相流理論模型也是有力的物理基礎(chǔ).</p><p>　　至今，在氣液兩相流方面，對(duì)重力作用下的氣體和牛頓液體混合物的兩相流體流型和流型圖的研究己經(jīng)比較多，特別是在水平管、垂直上升管的管內(nèi)流型和流型圖方面的研究工作己較完善.因此，近年來(lái)有關(guān)這方面的研究論文數(shù)量己大為減少，但對(duì)氣體和非牛頓液體的管內(nèi)氣液兩相流型以及對(duì)小尺寸管或特殊管子橫截面的管內(nèi)氣液兩相流型的研究論文為數(shù)仍不少.例如

10、:王樹眾研究了油氣兩相流在下降管內(nèi)的流型;Bonjoun研究了水在直立兩板中狹小空間內(nèi)沸騰時(shí)的流型;Mishima研究了內(nèi)徑為1～4mm的毛細(xì)管中的氣水兩相流流型;Triplett發(fā)表了微通道中氣液兩相流流型研究報(bào)告;Wolk研究了當(dāng)量直徑為6mm的三角形截面垂直管中的流型;Gradeck研究了水平波形管中的氣液兩相流型;weiseman研究了管內(nèi)存在微型螺旋線狀肋片時(shí)流體物性對(duì)氣液兩相流型的影響以及衣服發(fā)表了微型內(nèi)肋水平管中凝結(jié)時(shí)的流

11、型研究報(bào)告等.</p><p>　　對(duì)氣固、液液兩相流流型的研究比氣液兩相流流型的研究要少得多，但近年來(lái)，在區(qū)分流型和預(yù)測(cè)流型轉(zhuǎn)換界限方面己取得了一些進(jìn)展.例如:Doron建立了管內(nèi)液固兩相流的流型圖;出價(jià)提出了氣固流態(tài)化和向上氣力輸送顆粒時(shí)的流型圖;N adlen研究了兩種不溶混液體在水平管中形成乳濁狀流型的過程及天使的研究了油水混合物在水平管中的流型等.</p><p>　　在三相流的

12、流型研究方面:Hewitt提出了微傾斜管中油氣水三相在不同壓力下的流型圖并發(fā)現(xiàn)壓力增大會(huì)促使分層流動(dòng)區(qū)域擴(kuò)大;羅玉珊等研究了垂上升管中乳狀油氣水三相流由細(xì)泡狀流型過渡到彈狀流型的轉(zhuǎn)變條件;陳學(xué)俊等研究了螺旋管中油氣水三相流的流型等.由于氣液兩相流在宇宙飛船的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中具有重要用途，例如在飛船環(huán)境系統(tǒng)、制冷流體的儲(chǔ)存和輸送、太空核電站系統(tǒng)安全性等系統(tǒng)中均有重要應(yīng)用.因此，建立微重力下的氣液兩相流流型圖就顯得十分必要.根據(jù)Rezkalla

13、h的研究，微重力下的氣液兩相流流型基本上可分為細(xì)泡狀、彈狀、泛沫彈狀和環(huán)狀等幾種流型，并由他建立了流型圖和流型轉(zhuǎn)換條件.Colin和Bousman研究了管徑、液體粘性和表面張力對(duì)流型的影響.</p><p>　　1.2.2壓力降研究</p><p>　　近期對(duì)多相流壓力降進(jìn)行研究的論文主要涉及液液、氣固、液固兩相流和三相流問題.在氣液兩相流壓力降方面，由于對(duì)一般直管研究己經(jīng)較多，因而新的論

14、文主要涉及特殊管子、微重力條件下以及氣體—非牛頓液體等的氣液兩相流壓力降問題.其中:Dziubimsk, Dasf報(bào)導(dǎo)了氣體和非牛頓液體在管內(nèi)壓力降方面的研究結(jié)果;M ukhtan研究了900水平彎頭中含多尺寸顆粒的氣固兩相流壓力降;T urian研究了非牛頓液體的泥漿流壓力降;天使的研究了液液兩相流在水平管中的壓力降。此外，M ishima研究了各種毛細(xì)管中空氣一水兩相流的壓力降;楊研究了R-12氣液兩相流的壓力降;Awward研究了

15、氣水混合物在螺旋管中的壓力降;weisman研究了R-113氣液兩相流在螺旋內(nèi)肋管中的壓力降等.</p><p>　　在油氣水三相流方面，Hewitt研究了微傾斜管中的油氣水三相流壓力降，并發(fā)現(xiàn):如果油水混合物粘度能采用合宜的方法確定，則某些兩相流壓力降預(yù)測(cè)方法可用于進(jìn)行油氣水三相流壓力降計(jì)算，林宗虎等對(duì)水平管中的油氣水三相流摩擦壓力降的研究表明:由于工質(zhì)對(duì)管子材料的濕潤(rùn)性和吸附力等的不同，有機(jī)玻璃管和鋼管中的油

16、氣水三相流摩擦壓力降在一定條件下是不同的.在微重力作用下對(duì)氣液兩相流進(jìn)行的初步研究表明，在兩相摩擦壓力降方面，微重力條件下和重力作用時(shí)的壓力降數(shù)量級(jí)相同.</p><p>　　1.2.3截面含氣率和截面含液率的研究</p><p>　　在海洋石油等開采儲(chǔ)運(yùn)過程中，為了進(jìn)行油氣混輸管路的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，必須進(jìn)行油氣水三相流流動(dòng)特性的研究，其中一個(gè)重要參數(shù)是截面含氣率或截面含液率(持液率).<

17、;/p><p>　　Hewitt研究了空氣折算速度固定、總液體速度不變時(shí)微傾斜管內(nèi)的油氣水三相流持液率問題.試驗(yàn)表明，水含量增大，則持液率增加到一最大值后再銳降到近乎為一常數(shù)值.峰值發(fā)生在油為連續(xù)相區(qū)域，而曲線平坦部分(近乎常數(shù)值區(qū)段)位于水為連續(xù)相區(qū)域.雖然三相流時(shí)各相含液率與兩相流時(shí)表現(xiàn)不同，但仍可用某些兩相流預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)，只要油水混合物的粘度應(yīng)用一種可考慮相轉(zhuǎn)變和混合工況的模型加以估算.</p>

18、<p>　　此外，由于彈狀流對(duì)油氣混輸管的重要性，掛起研究了垂直上升管和垂直下降管中彈狀流的含氣率，酋長(zhǎng)研究了垂直下降管中油氣混合物在細(xì)泡狀流型和彈狀流型時(shí)的含氣率，F(xiàn)eenstra提出了一種計(jì)算兩相流橫掠水平管束時(shí)含氣率的改進(jìn)計(jì)算模型。</p><p>　　第二章 氣液兩相流流型及其判別的若干問題</p><p><b>　　2.1引 言</b><

19、/p><p>　　氣液兩相流體系是一個(gè)復(fù)雜的多變量隨機(jī)過程體系，流型的定義﹑流型過度準(zhǔn)則和判別方法等方面的研究是多相流學(xué)科目前研究的重點(diǎn)內(nèi)容。下文就與氣液兩相流流型及其判別有關(guān)的研究狀況進(jìn)行了回顧和評(píng)述，力圖反映近年來(lái)氣液兩相流流型及其判別問題研究的狀況和趨勢(shì)。</p><p>　　2.2氣液兩相流流型的分類</p><p>　　由于目前在研究和應(yīng)用中涉及的氣液兩相流大

20、多數(shù)是管內(nèi)流動(dòng)，因此下面的討論主要針對(duì)氣液兩相管流進(jìn)行。</p><p>　　表2.1垂直上升管中的氣液兩相流流型劃分</p><p>　　在氣液兩相流流動(dòng)過程中，由于氣、液兩相均可變形，兩相界面將不斷變化，從而兩相介質(zhì)的分布狀態(tài)也不斷改變，所以流型極為復(fù)雜。同時(shí)，流型還與管道尺寸、管截面形狀、管道角度、管道加熱狀態(tài)、所處的重力場(chǎng)、介質(zhì)的表面張力、壁面及相界面間的剪切應(yīng)力等因素有密切關(guān)系.

21、因此總體而言，流型的種類是相當(dāng)復(fù)雜繁多的。這使得不同的研究者，從不同角度對(duì)流型進(jìn)行研究時(shí)，會(huì)給出流型的不同定義和劃分。例如，對(duì)于垂直上升管中的流型劃分就有幾十種，如表2.1所示。又如，對(duì)于水平管絕熱流動(dòng)，在不同的液相流量下，加速等提出的流型劃分也有十余種，如表2.2所示。</p><p>　　表2.2水平絕熱管中的流型(管道內(nèi)徑0.0935m)</p><p>　　注: A—環(huán)狀流(環(huán)的)

22、, B—?dú)馀?泡沫), BTS—中空氣彈(毆打穿過鼻涕蟲),</p><p>　　D—液滴(小滴), F—液膜(薄膜), IW—平緩波(不活潑的波), LRW—大翻</p><p>　　卷波(大的滾動(dòng)波), PB—?dú)馑託馀?堵& 泡沫), PF—?dú)馑优菽?堵</p><p>　　& 泡), R—漣漪波(波紋), RW—翻卷波(滾動(dòng)

23、波), S—?dú)鈴?鼻涕蟲),</p><p>　　ST—層狀流(成層)</p><p>　　表2.3幾種常見管道條件下的流型劃分</p><p>　　從實(shí)際應(yīng)用的簡(jiǎn)明性考慮，Oshinowo等，在綜合發(fā)展了其他研究者結(jié)果的基礎(chǔ)上，提出的幾種常見流動(dòng)條件下的流型劃分，成為目前比較經(jīng)常采用的流型劃分，如表2.3所示(目前常用的幾種主要流型的名稱和簡(jiǎn)要描述見附錄)。&l

24、t;/p><p>　　盡管如此，由于流動(dòng)條件變化的多樣性以及研究角度的多樣性，基于流動(dòng)結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)上的流型劃分方法有以下幾個(gè)問題。</p><p>　　(1)流型定義的模糊性 目前對(duì)于各種流型的定義只是建立于主觀觀察的結(jié)果上的，這樣不可避免引入觀察者主觀因素的干擾。</p><p>　　(2)流型定義的多樣性 對(duì)于各種流型，目前還未建立起一套統(tǒng)一的且被公認(rèn)的定義。&l

25、t;/p><p>　　(3)流型定義的定性特性 對(duì)于流型的判別只能定性判斷，公認(rèn)的定量判斷方法還沒有。</p><p>　　圖2.1水平蒸發(fā)管氣液兩相流流型按介質(zhì)的連續(xù)性進(jìn)行劃分</p><p>　　近年來(lái)，有些學(xué)者(Barnea等)提出了從多相流中的流動(dòng)介質(zhì)的連續(xù)性出發(fā)進(jìn)行流型的劃分.即將介質(zhì)的形態(tài)分別分為連續(xù)的(連續(xù)的)、間斷的(間歇的)和彌散的(被驅(qū)散的)。流型

26、的要素就是不同介質(zhì)及其形態(tài)的不同組合，如對(duì)于水平蒸發(fā)管中的流型，就可以圖2.1所示的方式進(jìn)行劃分。</p><p>　　由于這種流型劃分方法一方面考慮介質(zhì)的連續(xù)性，便于將兩相流問題與比較成熟的單相流流體力學(xué)相聯(lián)系，另一方面又能將各種不同的流型歸結(jié)為較少的幾種模式，相互之間有比較明確的區(qū)別特征，簡(jiǎn)化了理論研究的對(duì)象，從而便于氣液兩相流的研究與應(yīng)用。因此有希望為流型劃分找到一條比較客觀和完善的途徑。</p>

27、;<p>　　2.3流型及其轉(zhuǎn)換的理論判斷</p><p>　　氣液兩相流流型問題的困難不僅體現(xiàn)在其定義與劃分上，出于類似的原因，流型的識(shí)別及流型過渡準(zhǔn)則的確定也有嚴(yán)重的困難。盡管如此由于流型問題的重要性，人們還是對(duì)此做了大量的工作。</p><p><b>　　2.3.1流型圖</b></p><p>　　流型圖是用于流型識(shí)別及

28、流型轉(zhuǎn)換判斷的重要工具之一。早在1949年，Lockhart等研究了不同的管內(nèi)流動(dòng)條件下的流動(dòng)阻力問題。面包師在前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上發(fā)展了流型判別的流型圖方法。同時(shí)代Hoogendoorn針對(duì)水平管氣液兩相流也應(yīng)用了這一方法。其后，出現(xiàn)了許多種不同條件下得到的流型圖。比較有代表意義的有Mandhane等，Taitel等，Weisman等，林等(水平圓管)，Griffith等，Gooier等，Taitel等，McQuillan等(垂直上升

29、管)，加速等，Weisman等，B arnea等(垂直上升管到垂直下降管之間的各種傾斜管)，以及Wambsganss(小尺度水平矩形管)。</p><p>　　一般用氣相表觀速度和液相表觀速度(或以這兩個(gè)參數(shù)為基礎(chǔ)得到的其他折算參數(shù))構(gòu)成流型圖的坐標(biāo)系，如圖2.2所示。表2.4給出了一些典型的流型圖所采用的坐標(biāo)參數(shù)及其主要工況。</p><p>　　表2.4幾種典型流型圖的坐標(biāo)參數(shù)及主要工

30、況</p><p>　　表中λ=[（ρG/ρa(bǔ)）(ρL/ρw)],ψ=(σw/σL)[(μL/μw)(ρw/ρL)],ρ為介質(zhì)密度(公斤/m),v為介質(zhì)流速（m/s）,σ相界面的表面張力(N/m),Φ,Φ為介質(zhì)物性參數(shù)和管道直徑?jīng)Q定的修正系數(shù).下標(biāo)中，a和w為表示空氣和水，L和G分別為氣相和液相介質(zhì)，S為表觀量.</p><p>　　就流型圖而言，目前還有下列問題:（1）流型圖中所體現(xiàn)出的

31、決定流型的因素主要為氣、液相的流速等幾個(gè)主要參數(shù)，其他影響流型形成的因素未得到體現(xiàn)，使得根據(jù)流型圖確定流型的可靠性受到影響。這在流型轉(zhuǎn)換時(shí)顯得尤為明顯。例如，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，非牛頓流體氣液兩相流型處于過渡階段時(shí)，所表現(xiàn)的實(shí)際流型不僅與表觀流動(dòng)速度值有關(guān)，還與表觀速度變化率的大小和方向有關(guān)。(2)在流型圖中流型轉(zhuǎn)換表現(xiàn)為一些過渡區(qū)域，在這些區(qū)域中流型是不確定的。(3)大部分的流型圖所依據(jù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自水～空氣流動(dòng)，因此流型圖的適用范圍是

32、有限制的。(4)存在如此之多且相互之間往往不一致的流型圖的事實(shí)也表明，目前對(duì)于流型形成機(jī)制的研究還處于經(jīng)驗(yàn)階段，要把所有的流型統(tǒng)一到一個(gè)流型圖中還不可能。</p><p>　　因此，目前流型圖的研究仍然是針對(duì)特定的流動(dòng)條件和介質(zhì)進(jìn)行的，但是涉及條件范圍和介質(zhì)種類擴(kuò)大了，如特殊結(jié)構(gòu)管道或大口徑管道，微重力環(huán)境，非牛頓流體以及各種熱工質(zhì)等。</p><p>　　圖2.2水平管的Mandhane

33、流型圖</p><p>　　2.3.2流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則</p><p><b>　　1.水平流動(dòng)</b></p><p>　　Taitel等根據(jù)大氣壓下空氣—水的水平流動(dòng)的流型實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將流型劃分為層狀流、泡狀流、間斷流和環(huán)狀流四大類，同時(shí)引入了一系列控制參數(shù)，加上Lockhart-Martinelli參數(shù)X構(gòu)成了流型轉(zhuǎn)換的控制參數(shù)組，對(duì)于水平及小

34、傾角管道的流型轉(zhuǎn)換判斷具有較好的普適性，其基本思路目前仍為其他研究者采用。這些控制參數(shù)如下</p><p><b>　　F=</b></p><p>　　T= (2.1)</p><p><b>　　Y=</b></p><p>　　K=F(Re)

35、 (2.1)</p><p>　　式中與分別為氣相流量和液相流量獨(dú)自在同一流道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的摩擦壓力梯度(Pa/m)。α為流道的傾角(rad)，d為流道內(nèi)徑(m)。ρ為介質(zhì)密度(kg/m)， v為介質(zhì)流速（m/s）,g為重力加速度(m/s)。下標(biāo)中，L和G分別為氣相和液相介質(zhì)，S為表觀量。</p><p>　　Taitel & Dukler提出

36、的各流型間轉(zhuǎn)換的機(jī)理與控制參數(shù)分別為:</p><p>　　(1)層狀流到間斷流:當(dāng)氣相通過波形交界面的波峰受到加速，產(chǎn)生局部壓力降，使峰部同時(shí)受到抽吸作用。當(dāng)抽吸力的作用大于峰部的重力作用時(shí)，波峰就會(huì)擴(kuò)大.波峰到達(dá)管道頂部井與管道接觸，構(gòu)成彈狀流。</p><p>　　(2)波狀流到環(huán)狀流:主要由X控制.當(dāng)氣相速度比液相速度高得多時(shí)，就產(chǎn)生這種過渡。</p><p&g

37、t;　　(3)間斷流到泡狀流:在彌散泡狀流下，氣泡分散在連續(xù)的液相中。當(dāng)液相的湍流脈動(dòng)效應(yīng)大于氣泡的浮力時(shí)，阻止了氣泡聚合到管道的頂部。</p><p>　　(4)層狀流到波狀流:主要與液體表面張力及氣液兩相間的滑移速度有關(guān)，根據(jù)Keivin-Helmholtz穩(wěn)定性理論給出過渡準(zhǔn)則。</p><p>　　(5)間斷流到環(huán)狀流:當(dāng)液面的平均高度超過管道高度的一半以上就發(fā)生這種過渡。<

38、/p><p>　　Taitel&Dukler過渡準(zhǔn)則與Mandhane的流型圖吻合得相當(dāng)好。但是，該方法不適合于高粘性流體，對(duì)于從間斷流過渡到彌散泡狀流時(shí)，未考慮表面張力的影響(而實(shí)驗(yàn)表明該因素是顯著的)，另外，人為規(guī)定液面的平均高度超過管道高度的一半以上就發(fā)生間斷流到環(huán)狀流的過渡，也比較牽強(qiáng)。</p><p>　　Weisman等考慮到Taitel & Dukle:準(zhǔn)則的上述

39、不足，提出了另一類流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則式。其所依據(jù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自12mm, 25 mm和51mm三種管徑，且覆蓋了更加廣泛的各種特性的流體。這些判據(jù)與Weisman自己的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合很好，但是普適性不如Taitel & Dukler準(zhǔn)則。</p><p><b>　　2.垂直上升流動(dòng)</b></p><p>　　Taitel等認(rèn)為:氣泡流轉(zhuǎn)換到彈狀流是由于氣相速度的

40、增加，達(dá)到一定程度后，小氣泡聚生成接近管徑的大氣泡，從而導(dǎo)致彈狀流的形成。流型變化的界限可由空隙率確定，而攪拌流產(chǎn)生的主要原因是，在兩個(gè)彈狀氣泡之間的液彈因太短而不能形成穩(wěn)定的液相段。液彈周期性的形成和破碎使流動(dòng)受到很大的擾動(dòng).攪拌流只能在某些區(qū)域才能觀察到。從彈狀流向攪拌流過渡決定于產(chǎn)生攪拌流所需的入口管道長(zhǎng)度Le.</p><p>　　根據(jù)分析，Le可用下式表示</p><p><

41、;b>　　=40.6d</b></p><p>　　而對(duì)于彈狀流向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變，是由于高速氣體引起的.流型變化的界限條件為</p><p>　　=3.1 (2.2)</p><p>　　Golan等是較早開展對(duì)攪拌流研究的學(xué)者。他們提出的流型變化判據(jù)為</p><p>　　

42、>0.189+0.011 (2.3)</p><p>　　Weisman等通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理，提出的由氣泡流向彈狀流轉(zhuǎn)換的判據(jù)為</p><p>　　>0.45 (2.4)</p><p>　　對(duì)于攪拌流到目前為止還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。現(xiàn)在常以液相的湍流作用大到粉碎大

43、氣泡而形成湘沫為攪拌流的全要標(biāo)志、故攪拌流也稱為乳沫狀流或混狀流。</p><p>　　對(duì)于彈狀流向環(huán)狀流的過渡，一般都是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行判斷。不過，Moissis依據(jù)KelvinHelmholtz不穩(wěn)定性判據(jù)，分析了彈狀流向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變的條件，則有較強(qiáng)的理論色彩。兩個(gè)氣彈之間液膜穩(wěn)定的界限條件為</p><p>　　V—V= (2.5)</p>

44、<p>　　式中k為波數(shù)，h為液膜的平均厚度。根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最不穩(wěn)定的波數(shù)與液膜厚度之間的關(guān)系為：k=。由此可以確定彈狀流轉(zhuǎn)變成環(huán)狀流的條件。</p><p>　　總體而言，盡管目前對(duì)于氣液兩相流流型判斷的理論方法進(jìn)行了較多的研究，但是由于對(duì)流動(dòng)機(jī)理缺乏深入的了解，所建立的理論模型常常存在較大的誤差。不同的研究者所得到的流型圖或流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則也不完全一致，有時(shí)差異相當(dāng)大，以至于應(yīng)用者無(wú)所適從。再

45、者，由于兩相流系統(tǒng)的復(fù)雜性，所涉及的工況條件與流體物性參數(shù)的多樣性，在目前還難以獲得一個(gè)對(duì)各種流型轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則，退一步說，即使要應(yīng)用現(xiàn)有的這些流型圖和轉(zhuǎn)換準(zhǔn)則，還需得到分相流量等參數(shù)，而在實(shí)際工程應(yīng)用中，往往是希望通過判斷流型來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的檢測(cè)。這就構(gòu)成了應(yīng)用該種方法講行流型判斷的兩難境地。</p><p>　　筆者認(rèn)為，為了從本質(zhì)上了解氣液兩相流動(dòng)的機(jī)理，應(yīng)對(duì)流型的結(jié)構(gòu)性和隨機(jī)性進(jìn)行綜合分析和認(rèn)識(shí)。結(jié)構(gòu)性體現(xiàn)為

46、:流動(dòng)條件和參數(shù)的變化引起流型的改變意味著結(jié)構(gòu)性的變化而這些條件和參數(shù)在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，流動(dòng)結(jié)構(gòu)是基本穩(wěn)定的.隨機(jī)性則體現(xiàn)為:每種流型下，每個(gè)時(shí)刻流動(dòng)狀態(tài)參數(shù)都呈現(xiàn)為較強(qiáng)的不可預(yù)測(cè)性。這時(shí)候的流動(dòng)規(guī)律在更多意義上是統(tǒng)計(jì)性的。結(jié)構(gòu)性研究可以一方面從簡(jiǎn)化兩相流動(dòng)中各種不同因素間的相互作用入手，以便了解流型產(chǎn)生和轉(zhuǎn)換的機(jī)理.例如，在微重力條件下，由于重力基本消失，氣液兩相流流型較常重力條件下得到大大簡(jiǎn)化。結(jié)構(gòu)性研究的另一方面是對(duì)不同尺度或不

47、同介質(zhì)多相流動(dòng)的相似參數(shù)進(jìn)行研究，如果能夠在一定的條件下獲得與流型關(guān)聯(lián)的無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù)，就不僅意味實(shí)驗(yàn)研究的簡(jiǎn)化，同時(shí)意味著理論研究的突破，這對(duì)于流型機(jī)理研究的意義將是不言而喻的。Bl等在對(duì)大量的氣～液和氣～固垂直上升管流流型進(jìn)行總結(jié)比較后，就發(fā)現(xiàn)兩者在流型和流型過渡準(zhǔn)則上有著較好的相似性。</p><p>　　2.4流型的在線識(shí)別</p><p>　　應(yīng)用流型圖或流型轉(zhuǎn)換判據(jù)只能大致預(yù)測(cè)流

48、型及其轉(zhuǎn)換，但是不能準(zhǔn)確獲取流動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)信息。而工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往需要實(shí)時(shí)了解流型對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況的影響。此時(shí)，應(yīng)用儀器設(shè)備直接識(shí)別管道內(nèi)氣液兩相流的流型就自然而然成為人們的選擇了。根據(jù)工作原理，流型實(shí)時(shí)識(shí)別方法可以分為兩類。一類是根據(jù)兩相流流動(dòng)圖像的形式直接確定流型，如目測(cè)法、高速攝影法、過程層析成像法等;另一類是間接方法，即通過對(duì)反映兩相流流動(dòng)特性的波動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理分析，提取出流型特征，進(jìn)而識(shí)別流型.這種方法建立在隨機(jī)信號(hào)處理技術(shù)

49、的基礎(chǔ)上，不僅具有設(shè)備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)，還極有希望發(fā)展成為流型識(shí)別的客觀方法，因此受到眾多研究者的關(guān)注，現(xiàn)已成為流型識(shí)別技術(shù)中的研究熱點(diǎn)。這里主要針對(duì)后者進(jìn)行綜述。</p><p>　　2.4.1頻域處理方法</p><p>　　早在1966年，Hubbard等就將水平管道氣液兩相流壓力信號(hào)的功率譜分析結(jié)果應(yīng)用于流型判別。他們假設(shè)氣液兩相流的隨機(jī)壓力信號(hào)是平穩(wěn)的，通過壓力信號(hào)的自相關(guān)函

50、數(shù)求得功率譜密度函數(shù)(PSD)。為了便于比較，對(duì)功率譜密度函數(shù)進(jìn)行了歸一化后可得出結(jié)論(如圖2.3所示)。</p><p>　　(1)連續(xù)流(層狀流和波狀流)的PSD集中在零頻率附近，即呈現(xiàn)出一定的直流特征，隨頻率增加幅度明顯下降，見圖2.3(a)。</p><p>　　(2)彌散狀流(氣泡流、霧狀流等)的PSD分布較平坦均勻，見圖2.3(b)。</p><p>　

51、　(3)間斷流(彈狀流和栓狀流)的PSD分布出現(xiàn)一個(gè)幅度明顯的特征峰，見圖2.3(c)。</p><p>　?。╝）連續(xù)流 (b) 彌散流 (c)間斷流</p><p>　　圖2.3壓力信號(hào)功率譜密度(PSD)函數(shù)與氣液兩相流流型的關(guān)系</p><p>　　Matuszkiewicz等利用類似方法對(duì)于

52、氣液兩相流中氣泡流流型到塞狀流流型的轉(zhuǎn)換進(jìn)行分析預(yù)測(cè)，所用于功率譜密度的分析信號(hào)是用電導(dǎo)探針?biāo)@得的局部空隙率信號(hào)，管道直徑為40毫米，液相流速為0.18m/s。在不同的平均空隙率的條件下，不同流型的譜分析呈現(xiàn)出以下的特征。</p><p>　　(1) <0.25時(shí)，氣泡流流型，譜分布的范圍較寬見圖2.4(a)。</p><p>　　(2) 升高后出現(xiàn)混狀流型，譜分布的范圍明顯縮小見

53、圖2.4(b)。</p><p>　　(3) 升高到0.5左右時(shí)，出現(xiàn)塞狀流流型，在低頻上出現(xiàn)了一些突出的頻率分量見圖2.4(c)。</p><p>　　由此出發(fā)，他們得出結(jié)論，當(dāng)氣泡流流型下，空隙率信號(hào)具有較小的方差(即分散性較小)，而在塞狀流下，空隙率信號(hào)呈現(xiàn)較大的方差。</p><p>　　(a)氣泡流 （b）混狀流

54、 （c）塞狀流</p><p>　　圖2.4空隙率信號(hào)功率譜密度與氣液兩相流流型的關(guān)系</p><p>　　功率譜密度函數(shù)分析法的一個(gè)關(guān)鍵問題是，功率譜密度分布不完全取決于流型，而與流體流動(dòng)速度的關(guān)系較大，但流速一般難以預(yù)知。盡管如此這種分析方法在預(yù)估流型轉(zhuǎn)換上還是有效的。</p><p>　　2.4.2時(shí)間～頻率域方法</p>

55、<p>　　表2.5各種流型下尺度密度的數(shù)量級(jí)范圍</p><p>　　功率譜密度分布所要求的隨機(jī)信號(hào)的平穩(wěn)性，在許多兩相流動(dòng)場(chǎng)合不能很好地滿足。有些學(xué)者提出了基于小波(wavelet)分析的兩相流信號(hào)處理方法，用于進(jìn)行流型辨識(shí)。在對(duì)水平管道內(nèi)所取的間距50 mm差壓信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)小波分析后，差壓信號(hào)被分解成了不同尺度上的能量，用尺度密度S(j=1,2,3,4)表示。4種常見流型下其尺度密度的數(shù)量級(jí)如表2

56、.5中所示。它們具有如下特點(diǎn):氣泡流的尺度密度絕對(duì)值最小，大多集中于10～10數(shù)量級(jí)，各尺度下的凡相對(duì)變化不大。波狀流和塞狀流兩者的尺度密度的分布頗為相似，它們的尺度密度均比對(duì)應(yīng)于氣泡流的要高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。另外，同尺度下塞狀流的S一般比波狀流大3～5倍。彈狀流各尺度下的S都明顯高于其它流型。</p><p>　　Bakshi借助于對(duì)局部空隙率信號(hào)的小波分析對(duì)氣液兩相流中氣泡流的流型轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表明

57、，氣泡流中空隙率信號(hào)頻率分布的不連續(xù)變化與流型轉(zhuǎn)變密切相關(guān)。</p><p>　　Wigner-Ville譜(WVD)分析方法是近年來(lái)興起的一種用于瞬態(tài)信號(hào)分析的方法。解析信號(hào)x(t)的WVD譜的定義W(t,ω)=,它在一定意義上統(tǒng)一了時(shí)域和頻域分析，這表現(xiàn)在其本身同時(shí)表征了時(shí)頻二維信息，從而使頻率的時(shí)間定位成為可能勞力云對(duì)內(nèi)徑分別為40毫米和50毫米的水平管道空氣～水兩相流的脈動(dòng)差壓信號(hào)進(jìn)行了WVD分析，結(jié)果表

58、明在氣泡流、塞狀流和彈狀流三種流型下的WVD分布有較為顯著的不同。在泡狀流流型中，頻譜比較分散，幅度信號(hào)能量在時(shí)頻域中的分布比較均勻。在塞狀流流型中，其信號(hào)能量基本集中在低頻區(qū)間中，有時(shí)也出現(xiàn)一些較高的頻率分布。在彈狀流流型中，能量在時(shí)域、頻域和幅值上都表現(xiàn)得比較離散，即呈現(xiàn)出明顯的非平穩(wěn)性。</p><p>　　2.4.3幅值域處理方法</p><p>　　信號(hào)幅值域的處理指對(duì)信號(hào)幅度進(jìn)

59、行統(tǒng)計(jì)處理。所給出的結(jié)果可以反映信號(hào)幅度變化的分布規(guī)律。常用的參數(shù)有概率密度函數(shù)(PDF)、方差、均值等。由于氣液兩相流參數(shù)直接影響著流動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)獲得的氣液兩相流動(dòng)體系中的常規(guī)信號(hào)如局部空隙率、壓力、壓力降、電導(dǎo)率、電容等信號(hào)在幅值域上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，往往可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流型、流量、空隙率和氣泡直徑等參數(shù)的檢測(cè)估計(jì)。</p><p>　　瓊斯等對(duì)X射線空隙率計(jì)得到的空隙率信號(hào)進(jìn)行了概率密度函數(shù)(PDF)分析，空

60、隙率的概率密度函數(shù)P()用統(tǒng)計(jì)值域P()代替</p><p><b>　　P()=</b></p><p>　　其中為空隙率信號(hào)。(t)的值落在與+之間信號(hào)段長(zhǎng)度的總和;T為用于統(tǒng)計(jì)分析的空隙率信號(hào)(t)的總長(zhǎng)度。</p><p>　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，PDF可用于辨識(shí)氣液兩相流的流型。流型與空隙率的PDF之間有以下關(guān)系</p>&l

61、t;p>　　泡狀流: PDF在低值上有一個(gè)單峰;</p><p>　　環(huán)狀流: PDF在高值上有一個(gè)單峰;</p><p>　　彈狀流: PDF分別在低值和高值存在一個(gè)單峰。</p><p>　　Vince等進(jìn)一步用空隙率PDF的方差來(lái)進(jìn)行流型判別。歌等發(fā)現(xiàn)氣泡流到彈狀流的轉(zhuǎn)換可以在空隙率信號(hào)PDF的形狀上得到較好的反映。Elkow等, Lowe等應(yīng)用空

62、隙率的PDF對(duì)微重力下的氣液兩相流流型進(jìn)行識(shí)別。</p><p>　　通過空隙率信號(hào)實(shí)現(xiàn)流型識(shí)別是比較可靠的方法之一，但獲取空隙率信號(hào)并不容易。</p><p>　　應(yīng)用壓力降信號(hào)的幅值概率密度分布進(jìn)行氣液兩相流的流型判別是應(yīng)用較多的方法之一，主要應(yīng)用于垂直管流型的判別。在垂直管道上，取一定管段的差壓信號(hào)，這個(gè)差壓反映了該管段上氣液兩相流的體積含氣率。對(duì)不同的流型，含氣率的概率分布有明顯區(qū)

63、別，據(jù)此可以判斷出流型。以差壓信號(hào)代替空隙率信號(hào)顯然比較簡(jiǎn)單方便。但壓力降的大小及變化程度不僅與空隙率有關(guān)，還與壓力、流速等關(guān)系密切，因此在應(yīng)用中應(yīng)對(duì)此加以考慮.</p><p>　　利用測(cè)得的氣泡直徑的PDF亦可用于進(jìn)行氣液兩相流流型的判別。在一定流型工況下，氣泡直徑大小分布具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。泡狀流時(shí)，氣泡直徑服從高斯分布且其均值遠(yuǎn)小于管道的當(dāng)量直徑;環(huán)狀流時(shí)，氣泡直徑同樣服從高斯分布，但其均值遠(yuǎn)大于管道的當(dāng)

64、量直徑;彈狀流和波狀流時(shí)氣泡直徑的概率分布具有雙峰性，每個(gè)峰呈現(xiàn)為近似的高斯分布，由于這種識(shí)別方法以氣泡的物理表現(xiàn)為依據(jù)，因此對(duì)流型的判別比較可靠。但氣泡直徑的測(cè)量比較困難。應(yīng)用概率密度函數(shù)方法時(shí)，需要進(jìn)行較大量的運(yùn)算比較。</p><p><b>　　2.4.4其他方法</b></p><p>　　除了以上信號(hào)處理方法以外，在氣液兩相流流型識(shí)別中，也有研究者應(yīng)用了模

65、糊信息處理、模式識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和分形等近年來(lái)發(fā)展迅速的現(xiàn)代信息處理方法。例如，應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)垂直氣液兩相流的管壁壓力降波動(dòng)的概率密度分布進(jìn)行處理，建立流型的模糊判據(jù)，使流型的在線判別成為可能。也有人基于兩相局部軸向壓差信號(hào)的統(tǒng)計(jì)分析，由信號(hào)的概率密度函數(shù)和功率譜密度函數(shù)的數(shù)學(xué)特征構(gòu)成特征向量組，由原始信號(hào)建立自回歸模型，構(gòu)造海灣統(tǒng)計(jì)評(píng)判函數(shù)，在最小誤差概率條件下，確定氣液兩相流的流型。林等利用管道壓力信號(hào)的相關(guān)特征對(duì)彈狀流進(jìn)行識(shí)

66、別。Mi等以反映空隙率變化的阻抗作為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)于水平管和垂直上升管中流型的識(shí)別。還有些研究者從分形角度來(lái)認(rèn)識(shí)氣液兩相流體系，從而產(chǎn)生了流型識(shí)別的分形方法。如Kozma認(rèn)為，對(duì)于溫度波動(dòng)信號(hào)，分形維數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差可以較好的反映流型特征，相應(yīng)也產(chǎn)生了流型識(shí)別的分形方法。</p><p>　　值得注意的是，有些研究者綜合應(yīng)用一些現(xiàn)代信息處理技術(shù)，從多相流體系的常規(guī)信號(hào)提取流型特征，實(shí)現(xiàn)流型判別。如吳浩江等對(duì)

67、管段差壓信號(hào)利用小波分解～重構(gòu)方法進(jìn)行去噪處理后，應(yīng)用分形理論提取特定流型對(duì)應(yīng)的特征向量，用于訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油～氣～水水平管流流型的自動(dòng)識(shí)別。</p><p>　　2.4.5流型在線間接識(shí)別方法評(píng)述</p><p>　　由于氣液兩相流動(dòng)過程參數(shù)的規(guī)律性呈現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)意義上的規(guī)律性，因而在在線流型識(shí)別中所應(yīng)用的信號(hào)處理方法大多為隨機(jī)信號(hào)處理方法。具體所涉及到的技術(shù)包括譜分析、幅值統(tǒng)計(jì)

68、分析、分形分析、模式識(shí)別、模糊信號(hào)處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等具體技術(shù)。應(yīng)用信號(hào)處理技術(shù)進(jìn)行流型識(shí)別需要兩個(gè)條件。(1)正確快速地獲取信號(hào)，這個(gè)(些)信號(hào)的某些統(tǒng)計(jì)特征與流型之間有確定關(guān)系。(2)考慮到實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行流型識(shí)別往往有實(shí)時(shí)性的要求，因此需對(duì)被測(cè)信號(hào)能實(shí)現(xiàn)快速處理。事實(shí)上一方面通過理論和實(shí)驗(yàn)的大量研究，人們己經(jīng)發(fā)現(xiàn)了兩相流動(dòng)參數(shù)與其他參數(shù)的隨機(jī)波動(dòng)之間的某些實(shí)質(zhì)性聯(lián)系。同樣，兩相流體系參數(shù)隨機(jī)變化的信號(hào)中載有流型的信息。這就使得通過對(duì)兩相

69、流動(dòng)常規(guī)信號(hào)的處理獲得流型的信息成為可能，當(dāng)然，繼續(xù)深入探索這兩者之間的關(guān)系將為利用信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)流型在線識(shí)別提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，因而是很有必要的。另一方面，現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及信號(hào)處理方法的發(fā)展，提供了快速處理隨機(jī)信號(hào)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)條件。</p><p>　　在氣液兩相流動(dòng)體系中，壓力或差壓是比較容易獲得同時(shí)也是最重要的參數(shù)之一，壓力或差壓的測(cè)量已有許多成熟的方法和手段，其傳感器是數(shù)量最大，品種最多，

70、在工業(yè)部門中應(yīng)用最廣泛的傳感器之一在流動(dòng)過程中，大多數(shù)壓力或差壓測(cè)量的目的是用于了解壓力損失，測(cè)量流量以及掌握其它流動(dòng)工況，比較關(guān)心的是靜態(tài)值，對(duì)于其中的脈動(dòng)信號(hào)則視為噪聲。而正如前所述，在這種脈動(dòng)中往往蘊(yùn)涵許多流動(dòng)體系中其它狀態(tài)的信息。許多學(xué)者已注意到這一點(diǎn)，并在氣液兩相流流型識(shí)別得到應(yīng)用。</p><p>　　第三章 水平管內(nèi)氣～液兩相流流型及其轉(zhuǎn)換特性研究</p><p><b

71、>　　3.1引 言</b></p><p>　　近幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣～液兩相流動(dòng)問題開展了廣泛深入的研究，取得了一定的進(jìn)展，但尚有若干理論不夠完善，特別是關(guān)于流型的劃分和流型轉(zhuǎn)換特性等方而有許多問題還未能取得共識(shí)，許多工作還有待于深入研究。</p><p>　　為此本節(jié)以空氣～水為工質(zhì)，對(duì)水平管內(nèi)氣～液兩相流流型和轉(zhuǎn)換規(guī)律進(jìn)行了研究。</p><p

72、>　　3.2試驗(yàn)設(shè)備和方法</p><p>　　圖3.1 空氣～水兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)</p><p>　　1——水箱；2——水泵；3——水旁路；4——水流量計(jì)；5——壓力表； </p><p>　　6——空壓機(jī)；7——穩(wěn)壓器；8——?dú)馀月罚?——測(cè)溫點(diǎn)；10——混合器；</p><p>　　11——實(shí)驗(yàn)段；12——分離器；13——空氣

73、流量計(jì)</p><p>　　全部試驗(yàn)是在空氣—水兩相流試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，如圖3.1所示。其運(yùn)行流為: </p><p>　　儲(chǔ)存在水箱中的水經(jīng)水泵送入試驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后，通過水轉(zhuǎn)子流量計(jì)側(cè)量流量，空氣經(jīng)空壓機(jī)加壓后送入試驗(yàn)系統(tǒng)，經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)流量后，通過空氣轉(zhuǎn)子流量計(jì)測(cè)量流量，空氣和水經(jīng)流量計(jì)測(cè)量流量后進(jìn)入氣～液混合器，混合成兩相流體，然后經(jīng)管路進(jìn)入試驗(yàn)段進(jìn)

74、行兩相流動(dòng)測(cè)試，從試驗(yàn)段出來(lái)的氣～水混合物經(jīng)氣液分離器分離后，空氣排空，水重新注入水箱循環(huán)使用。</p><p>　　試驗(yàn)段采用Φ32×3有機(jī)玻璃管制成，試驗(yàn)段兩端采用環(huán)室取壓，兩取壓點(diǎn)距離1500mm，壓差采用差壓變送器測(cè)量，差壓變送器將差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，用毫安表測(cè)量，再通過轉(zhuǎn)換將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，接于函數(shù)記錄儀記錄壓差波動(dòng)信號(hào)。</p><p>　　試驗(yàn)條件如下:

75、 工作壓力P 0～0.6MP</p><p>　　空氣流量Q 0～40 m/h</p><p>　　水流量Q 0～4 m/h</p><p>　　溫度t 16～22℃</p><p>　　3.3試驗(yàn)結(jié)果及分析</p><p><b>　　3.3.1流型圖<

76、;/b></p><p>　　本文流型的鑒別采用目測(cè)法和差壓波動(dòng)法相結(jié)合的方式。壓差波動(dòng)法鑒別流型的基本原理是:氣～液兩相流動(dòng)時(shí)，兩相之間存在復(fù)雜的質(zhì)量、動(dòng)量和能量交換，使得局部區(qū)域流動(dòng)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生改變，這一情況在兩相壓力上充分體現(xiàn)出來(lái)。流型不同，兩相流動(dòng)擾動(dòng)度不同，因此當(dāng)不同流型的兩相流體流過壓差側(cè)量段時(shí)，就會(huì)得到不同的壓差波動(dòng)信號(hào)，用壓差波動(dòng)信號(hào)法判別流型正是利用這一特性。</p><

77、;p>　　圖3.2 氣——液兩相流流型圖</p><p>　　S分層流型區(qū) X波狀分層流型區(qū)</p><p>　　I間歇狀流型區(qū)A環(huán)狀流型區(qū)</p><p>　　B細(xì)泡狀流型區(qū)⊙不可分辨區(qū)</p><p>　　試驗(yàn)結(jié)果表示在以兩相折算流速為坐標(biāo)的圖3.2上，該圖分為五個(gè)區(qū)域，分別是分層流型區(qū)，波狀分層流型區(qū)

78、，間歇狀流型區(qū)，環(huán)狀流型區(qū)和彌散狀流型區(qū)。各流型間轉(zhuǎn)換并非突變，而是存在過渡區(qū)，在圖3.2上用斜線表示過渡區(qū)。</p><p>　　分層流型出現(xiàn)在較低的兩相流率下，該流型出現(xiàn)范圍較窄，兩相折算流速稍有增大，即向波狀和間歇狀流型轉(zhuǎn)變;出現(xiàn)分層流動(dòng)時(shí)，若保持液相流率不變，提高氣相流率到一定值后，形成波狀分層流型；出現(xiàn)分層或波狀流動(dòng)時(shí)，若保持氣相流率不變，提高液相流率到一定值后，就會(huì)出現(xiàn)間歇狀流型，本流型圖將泡狀流歸入

79、間歇流，波狀或間歇狀流型條件下，增大氣相流量，由于慣性力作用，氣相將以氣柱的形式在管道中央偏上的區(qū)域運(yùn)動(dòng)，液相分散于管道四周形成液膜，該流動(dòng)型式即為環(huán)狀流型，彌散泡狀流型出現(xiàn)較高的液相折算流速下，以氣相離散氣泡的方式分布在連續(xù)的液相中，當(dāng)液相折算流速超過一定數(shù)值后，兩相流動(dòng)將以彌散泡狀流型的形式存在。</p><p>　　通過與傳統(tǒng)流型圖比較發(fā)現(xiàn)，該流型圖基本上能反映雙組分介質(zhì)流型的變化規(guī)律。</p>

80、<p>　　3.3.2流型轉(zhuǎn)換特性</p><p>　　兩相流動(dòng)現(xiàn)象十分復(fù)雜，影響流型的因素有許多，如物性、流動(dòng)參數(shù)、流道形狀及位置等。由量綱分析，可以得到反映流型變化規(guī)律的無(wú)因次關(guān)系式:</p><p>　　F=F(Re,Fr,/,ku) (3.1)</p><p>　　其中： Re=

81、 ,Fr= , </p><p><b>　　ku=,</b></p><p>　　式中，液相密度，氣相密度，d管道內(nèi)徑， V氣相速度，λ表面張力，液相動(dòng)力粘度,氣相動(dòng)力粘度，g重力加速度。</p><p>　　顯然各流型轉(zhuǎn)換物理機(jī)制不同，上式中各無(wú)因次準(zhǔn)則的作用也不相同。有必要針對(duì)不同流型轉(zhuǎn)換的特點(diǎn)，找出起主導(dǎo)作用的準(zhǔn)則，忽略次要因素，建立流

82、型轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)則方程式。</p><p>　　1.分層～間歇流型轉(zhuǎn)換</p><p>　　從流型轉(zhuǎn)換的力學(xué)角度看，氣相慣性力、液相重力和表面張力的綜合作用，決定分層—間歇流型的轉(zhuǎn)換。顯然，氣相慣性力有助于界面波的產(chǎn)生和發(fā)展，促使流型由分層向間歇流轉(zhuǎn)換;而液相重力和表面張力抑制界面波的發(fā)展，不利于流型由分層向間歇流轉(zhuǎn)換。其中表面張力對(duì)小管徑(d < 10 mm)以下的轉(zhuǎn)換有‘明顯的影響，但

83、對(duì)其他尺寸的管道影響很小，這里不考慮表面張力的作用。</p><p>　　由上面的分析，可以確定代表分層—間歇流型轉(zhuǎn)換的主要無(wú)因次準(zhǔn)則有: Fr：反映氣相慣性力的影響，:反映兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響。分層～間歇流型轉(zhuǎn)換關(guān)系式可表示如下:</p><p>　　F=F(,Fr) (3.2)</p><p>　　2.間歇～環(huán)狀流

84、型的轉(zhuǎn)換</p><p>　　氣相慣性力在促使流型由間歇向環(huán)狀流轉(zhuǎn)換中起主要作用，而液相重力阻礙環(huán)狀流的形成，此外，表面張力、液相粘性力對(duì)環(huán)形液膜的形成也有影響，然而威爾斯曼發(fā)現(xiàn)粘性力對(duì)于環(huán)狀流形成影響不大，故反映間歇～環(huán)狀流型轉(zhuǎn)換的主要無(wú)因次準(zhǔn)則有: Fr,和ku其中ku是考慮兩相密度差和表面張力的影響。流型轉(zhuǎn)換關(guān)系式可表示為:</p><p>　　F=F(Fr,ku,)

85、 (3.3)</p><p>　　3.向彌散泡狀流轉(zhuǎn)換</p><p>　　彌散泡狀流型發(fā)生在液相流速較高的區(qū)域，當(dāng)液相湍流雷諾應(yīng)力克服促使氣泡上升、團(tuán)聚的浮升力時(shí)。發(fā)生向彌散狀流型的轉(zhuǎn)換。引入無(wú)因次準(zhǔn)則T:反映作用在氣體上的湍流作用力和浮力比,S:表示表面張力和浮力的影響。</p><p>　　其中：

86、 T= (3.4)</p><p><b>　　S=</b></p><p>　　則向彌散狀流型轉(zhuǎn)換的關(guān)系式可表示為:</p><p>　　F=F(T,S) </p><p>　　4.平滑分層流向波狀分層流的轉(zhuǎn)變</p>

87、<p>　　在氣液兩相分層流動(dòng)中。氣液兩相均勻連續(xù)相，氣液界面存在著兩種型態(tài)，即平滑分層界面和波狀分層界面。這兩種分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)的壓力降和截面相份額有著明顯的區(qū)別。在平滑分層流中。當(dāng)氣相速度增加到足夠在界面產(chǎn)生穩(wěn)定的波而又不至于發(fā)生向間歇流和環(huán)狀流轉(zhuǎn)變時(shí)，波狀分層流就出現(xiàn)了。</p><p>　　根據(jù)前人的研究結(jié)果，系統(tǒng)的穩(wěn)定性主要受三種影響因素控制，即重力、表面張力和氣液界面的相對(duì)速度。重力項(xiàng)在分層流

88、中起穩(wěn)定作用;表面張力由于具有保持流體表面積最小的性質(zhì)，而平滑的界面具有最小的表面積，因而也總是起穩(wěn)定作用;相對(duì)速度這一控制因素反映了伯努利定理中的壓力的影響，它有促使波產(chǎn)生和增長(zhǎng)的作用。是一種不穩(wěn)定因素?？烧J(rèn)為表面張力對(duì)波的初始產(chǎn)生有重要作用，隨著氣相速度的增加，氣相與表面張力共同作用在氣液界面上，使氣液界面發(fā)生變形，在隨后的過程中，變形了的界面在表面張力效應(yīng)和伯努利效應(yīng)的共同作用下。維持著波狀分層流的繼續(xù)和發(fā)展。</p>

89、<p>　　綜合上述分析，引入以下無(wú)量綱準(zhǔn)則數(shù):</p><p>　　F= (3.5)</p><p>　　We= (3.6)式中F——修正的佛羅德數(shù); ——?dú)庀嗝芏?</p><p>　　—

90、—油相密度; U——?dú)庀嗾鬯闼俣?</p><p>　　U—— 油相折算速度; g ——重力加速度;</p><p>　　d——管子直徑; We——油相韋伯?dāng)?shù);</p><p><b>　　——表面張力系數(shù)。</b>

91、</p><p>　　圖3.3平滑分層流向波狀分層流的轉(zhuǎn)變</p><p>　　修正的佛羅德數(shù)F為氣相慣性力和重力之比，它反映氣相慣性力克服液相重力維持波狀分層流的特性，同時(shí)氣相慣性力的大小亦反映氣相速度的大小，所以，這一項(xiàng)也就是表現(xiàn)了伯努利效應(yīng)的大小。表面張力對(duì)波狀分層流轉(zhuǎn)化的影響則以油相韋伯?dāng)?shù)來(lái)表示。于是，從平滑分層流向波狀分層流轉(zhuǎn)換邊界曲線的準(zhǔn)則方程式可以表示為:</p>

92、<p>　　f(F,We)=0(3.7)</p><p>　　利用上式，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得到水平管內(nèi)波狀分層流形成的準(zhǔn)則關(guān)系式如下: </p><p>　　F=0.37We (3.8)</p><p>　　即： =0.37 (3

93、.9)</p><p>　　式(3.9)與試驗(yàn)結(jié)果的均方根誤差為0.162，相關(guān)系數(shù)為0.988。</p><p>　　由式(3.9)可以看出，管子的直徑對(duì)波狀分層流的形成也幾乎沒有影響。圖3.3中分別以無(wú)量綱量F'和We、折算氣速U和折算油速U。為坐標(biāo)給出了平滑分層流轉(zhuǎn)化為波狀分層流的試驗(yàn)結(jié)果。</p><p>　　5.分層流向環(huán)狀流的轉(zhuǎn)變</p&g

94、t;<p>　　在實(shí)驗(yàn)過程中觀察到，分層流轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流之前，氣液界面都已形成了波，即環(huán)狀流是由分層流中的波狀分層流轉(zhuǎn)變而來(lái)的，在試驗(yàn)中觀察到對(duì)于波狀分層流，在其向環(huán)狀流轉(zhuǎn)變之前，保持液相的流量不變，增加氣相的流量，液膜有沿管壁向上蔓延的趨勢(shì)，且液面波的波幅、波長(zhǎng)減小，原先跨度很大的波演變成多個(gè)間隔均勻的微小波，隨著氣相流量的繼續(xù)增大，液相開始沿管壁兩側(cè)以液膜的形式向頂部蔓延，直到兩側(cè)的液膜在管頂匯合，形成一層很薄的呈波紋狀

95、沿管頂軸向前進(jìn)的連續(xù)液膜，至此分層流向環(huán)狀流的過渡完成。</p><p>　　由于所用的液相介質(zhì)為油，其顏色為暗黃色，轉(zhuǎn)變發(fā)生時(shí)氣液兩相的流速都相對(duì)較低，因而從透明的有機(jī)玻璃管中能夠清楚地觀察到以上過程。環(huán)狀流由分層流轉(zhuǎn)化時(shí)的力學(xué)特征都可描述為氣相的慣性力克服液相的重力，這一點(diǎn)有助于對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理和其轉(zhuǎn)化準(zhǔn)則的提出。</p><p>　　采用修正的佛羅德數(shù)和液相韋伯?dāng)?shù)來(lái)關(guān)聯(lián)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，修正

96、的佛羅德數(shù)表示氣相慣性力與液相重力的比值，液相韋伯?dāng)?shù)中含有表面張力項(xiàng)，用以表示形成環(huán)狀流時(shí)液相對(duì)管壁的附著力與表面張力共同作用所引起的附壁特性。在一些文獻(xiàn)中以庫(kù)德拉澤數(shù)來(lái)反映表面張力的影響，但本試驗(yàn)用其得出的關(guān)聯(lián)式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)之間的偏差較大。</p><p>　　由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到波狀分層流向環(huán)狀流過渡的關(guān)系式為:</p><p>　　F=2.94We

97、(3.10)</p><p>　　式中 F——修正的佛羅德數(shù)。</p><p>　　即： =2.94 (3.11)</p><p>　　式(3.11)與試驗(yàn)結(jié)果的均方根誤差為0. 41，相關(guān)系數(shù)為0. 93，與試驗(yàn)結(jié)果的比較見圖3.4。</p><p>　　圖3.4分層流向環(huán)狀流的

98、轉(zhuǎn)變</p><p>　　第四章 垂直（管）氣液兩相管流</p><p>　　4.1垂直上升管泡狀流壓力波動(dòng)的多尺度分析</p><p>　　氣液兩相流是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，深入的研究氣液相界面非線性動(dòng)力學(xué)特性和規(guī)律具有重要的基礎(chǔ)科學(xué)意義。由于氣、液相界面的變形和運(yùn)動(dòng)等原因，使兩相流動(dòng)與傳熱過程表現(xiàn)出典型的隨機(jī)性，采用數(shù)理模型預(yù)測(cè)的方法十分困難，目前尚未有明

99、顯的研究進(jìn)展。統(tǒng)計(jì)方法在分析壓力波動(dòng)規(guī)律中得到了充分應(yīng)用，但是這些建立在平穩(wěn)隨機(jī)過程基上的統(tǒng)計(jì)分析方法反映非線性本質(zhì)的作用有限。基于非線性理論研究波動(dòng)過程是今后發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，也是多相流熱物理學(xué)科的一個(gè)方向。在非線性研究方法中，確定性混沌理論已經(jīng)得到了較多應(yīng)用。壓力或壓差或含氣率信號(hào)的關(guān)聯(lián)維數(shù)、墑、Lyapunov指數(shù)等特征分析對(duì)揭示兩相流非線性動(dòng)力學(xué)規(guī)律方面有很大促進(jìn)。</p><p>　　4.1.1均勻泡狀流

100、壓力波動(dòng)的單氣泡分析</p><p>　　兩相流壓力波動(dòng)時(shí)由于氣泡運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)效應(yīng)和流道系統(tǒng)的影響，流道系統(tǒng)的影響(泵、節(jié)流件、彎頭等)表現(xiàn)為白噪聲或倍頻噪聲，有多種濾波技術(shù)可以去掉這類噪聲，本文重點(diǎn)討論動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，主要包括:(1)氣泡的運(yùn)動(dòng)對(duì)壓力場(chǎng)的影響;(2)氣泡的誘導(dǎo)湍流以及液相湍流。</p><p>　　1.單氣泡運(yùn)動(dòng)對(duì)壓力場(chǎng)的影響</p><p>　　理想

101、條件下，假設(shè)球形氣泡，半徑是a，氣泡是不可壓縮的，氣泡不旋轉(zhuǎn)，氣泡周圍液相的運(yùn)動(dòng)是無(wú)旋和軸對(duì)稱的。因此容易得到氣泡周圍的速度勢(shì)函數(shù)的分布規(guī)律:</p><p>　　=Vcos (4.1)</p><p>　　圖4.1垂直管內(nèi)單個(gè)氣泡運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓力壓差波動(dòng)模型</p><p><b>　　計(jì)算總速度的平方:&l

102、t;/b></p><p><b>　　V=V+V+V=</b></p><p>　　V (4.2)</p><p><b>　　相對(duì)距離/mm</b></p><p><b>　　(a)</b></p><p>&l

103、t;b>　　相對(duì)距離/mm</b></p><p><b>　　(b)</b></p><p>　　圖4.2 壓力和壓差波動(dòng)過程</p><p>　　以無(wú)窮遠(yuǎn)處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為基準(zhǔn)(p,v=0)，根據(jù)伯努力方程，速度V所對(duì)應(yīng)的壓力為:</p><p>　　P=P-V= P-V</p><

104、;p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　忽略管壁對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)的影響，得到影響壓力(壓差)波動(dòng)的幾個(gè)因素:氣泡周圍液體密度、氣泡直徑a、氣泡運(yùn)動(dòng)速度V、氣泡與測(cè)點(diǎn)的距離r,及夾角。壓力波動(dòng)幅度隨氣泡直徑和氣泡運(yùn)動(dòng)速度的增加呈指數(shù)形式快速增加，但波動(dòng)幅度和氣泡與測(cè)點(diǎn)之間距離的高次方呈反比。</p><p>　　設(shè)管道直徑D=0.05 m，氣泡半徑為0

105、.002m，氣泡運(yùn)動(dòng)速度V=1.5ms，液相密度998kgm。沿直管流動(dòng)方向布置了4只壓力傳感器，見圖4.1。以P所處截面為基準(zhǔn)面0，其它壓力傳感器與P的距離分別為0.5D、D、5D。氣泡與管壁的垂直距離為0.2D，計(jì)算結(jié)果見圖4.2,4.3。圖中x軸表示氣泡運(yùn)動(dòng)軌跡中相對(duì)0截面的無(wú)量綱垂直距離，負(fù)值表示氣泡位于0截面的上游。所有圖中的壓力波動(dòng)過程均去掉了均值。(1)當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于氣泡運(yùn)動(dòng)的下游，壓力隨氣泡的接近逐漸升高，在氣泡的中心到達(dá)測(cè)

106、量截面之前達(dá)到最大，在氣泡的中心到達(dá)測(cè)量截面時(shí)壓力達(dá)到最小;(2)壓差波動(dòng)過程與壓力成反相特征;(3)壓差波動(dòng)周期和兩個(gè)測(cè)量截面的距離有關(guān)，隨距離增加而增加，而壓差波動(dòng)幅度與距離無(wú)關(guān)。</p><p>　　2.氣泡的誘導(dǎo)湍流以及液相湍流</p><p>　　文獻(xiàn)根據(jù)單相湍流強(qiáng)度的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析了液相湍流引起的壓力波動(dòng)幅度的大小，該波動(dòng)值要小于氣泡的運(yùn)動(dòng)對(duì)壓力場(chǎng)的影響。氣泡的存在影響了液相流場(chǎng)

107、的湍流結(jié)構(gòu)和湍流尺度，液相湍流的變化反之也影響氣泡的運(yùn)動(dòng)，這個(gè)相互作用關(guān)系是非線性的。氣泡誘導(dǎo)湍流的強(qiáng)度與液相流速和含氣率的大小有關(guān)，對(duì)低含氣率泡狀流或低流速泡狀流氣泡誘導(dǎo)湍流更顯著，但高液速流動(dòng)時(shí)氣泡對(duì)湍流的抑制作用加強(qiáng)。Liu T J和Bankoff試驗(yàn)研究表明，氣泡誘導(dǎo)湍流強(qiáng)度在低液速近壁區(qū)為0.15，在高液速近壁區(qū)為0.35。根據(jù)=1/2可以計(jì)算出氣泡誘導(dǎo)湍流所引起的壓力波動(dòng)幅度，此值在低液速下同樣小于氣泡的運(yùn)動(dòng)對(duì)壓力場(chǎng)的影響，