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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。
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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。传统单相仪表测量有两种方法，一种是基于单相流的研究方法，即从物理概念出发或从微分方程中得到描述湿气流动的一些无因次参数，然后根据实验数据得到经验关系式，再与传统的单相流仪表相结合应用到多相流参数检测中。另一种是利用多个传统单相流仪表组合，进行多参数组合测量以确定两相流量，如文丘里管与内锥流量计组合[6]、文丘里管与涡轮流量计组合、密度计与涡轮流量计组合等[2]。 （2）近代新技术手段包括过程层析成像技术、高速摄影技术、数字图像处理技术、示踪技术、激光多普勒技术等，采用这些技术可以获得两相流流场中流型、流速、容积含气率等特征参数。例如过程层析成像技术能够在线直观的得到流体截面上的可视化信息，激光多普勒技术能够得到离散相粒子的速度、尺寸、流量等信息。 （3）数值计算方法。数值模拟是利用计算机进行质量、动量、能量守恒方程的求解，以得到流场区域内两相流动信息。数值模拟比实流试验更省人力物力财力、不用考虑重复性问题，且能够在更理想化的实验工况下进行试验。近些年来数值计算方法作为一种辅助手段已逐渐成为和实流试验同样重要的方法[7]。然而，气液两相流进行数值仿真时需要先确定两相间的相互作用、两相分界面、两相在流场中的分布以及合适的数值计算方法，并且描述两相流的变量多、基本方程多，守恒方程、分界面表面张力计算困难，因此数值模拟仍然存在一些困难。
4.气液两相流计算的基本方法
现有的气液两相流计算方法可以分为经验方法、工程实用模型分析法和数学解析模型分析法。
（1）经验方法是工程中常用方法，其根据工业现场试验或实验室实验所得数据拟合建立合适的计算公式，然后在实际应用中将已知
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变量带入公式中得到预测结果。
（2）工程实用模型分析法先提出流动体系的简化假设然后得到简化模型。常用的简化模型将管内三维流动简化为一维流动，即流体仅沿流向进行变化，在此假设基础上主要有均相流模型、分相流模型以及滑移流动模型。
均相流模型是最简单的简化模型，其将气、液两相看做均匀混合物，流动参数取两相相应参数的平均值，将两相流视为遵守单相流体基本方程的均匀介质。在此模型中，假定气液两相流速相等，并且两相温度相同并都处于饱和状态。由于假定此模型气液两相速度相等，而在实际中只有在高气量低液量时或者高液量低气量时两相速度才相近，因此均相流模型仅适用于泡状流或者雾状流。
分相流模型在假定两相之间热力学平衡和两相速度各为常量的基础上，将气、液两相作单相处理并加入相间作用，然后将各相的方程合并所得。此模型适用于分层流和环状流。
滑移流动模型假定两相热力学平衡，建立在两相平均速度场的基础上。着重考虑了相间的相对运动，适用于弹状流等流型[5]。 （3）分析方法对两相和界面条件建立局部瞬时方程，用平均方法得到瞬时空间平均方程、局部时间平均方程和时间空间平均方程，再把平均方程简化到要求的程度[1]。分析方法较严密但是求解麻烦，需借助计算机技术，且还需知道一些相关关系才能使平均方程封闭。 5.总结
本文从气液两相流的应用背景、流动型式入手，概要性的介绍了气液两相流参数检测的基本手段和两相流计算的方法。气液两相流中，由于两相界面的运动、变形、破碎、再融合以及两相界面上的热、质传输使流动结构异常复杂，因此也造成了气液两相流检测困难，要实现气液两相流的准确计量仍然有很大的研究空间。 参考文献：
[1] 车德福，多相流及其应用，西安：西安交通大学出版社，2007. [2]周云龙，气液两相流型智能识别理论及方法，北京：科学出版社，2007.
[3]徐英，段玉晗，赵轶，文丘里高压湿气测量虚高特性数值模
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拟，天津大学学报，2012， 45（3），221～227.
[4] 阎昌琪，气液两相流（第二版），哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2010.
[5]周云龙，多相流参数检测理论及其应用，北京：科学出版社，2010.
[6] 张强，利用双差压式节流装置测量湿气，[硕士学位论文]，天津，天津大学，2008.
[7]苏铭德，黄素逸，计算流体力学基础，北京：清华大学出版社，1997.
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