气体/高黏液体两相间歇流动时液相含率的变化特性研究

作者:侯林彤;顾成曦;刘硕;许晶禹; 刊名:水动力学研究与进展(A辑) 上传者:黄镜宇

【摘要】准确地获取气液流动过程中相含率的变化,可以帮助监测长距离混输管道中的流态转化、流量波动以及压力脉动等。该文基于不同工况下的实验数据研究了水平及倾斜管中气体/高黏液体两相间歇流动时液相含率的变化特性。研究结果揭示了水平、垂直和倾斜管路中液相含率的影响因素,即黏度、倾斜角度、混合雷诺数和弗劳德数等。同时,发展了一种无量纲指数形式的相含率预测模型,误差分析表明模型预测结果与实验测试数据较为一致。

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引言随着非常规稠油资源的大规模开发,针对高黏液体气液两相流动的研究越发突出其重要性。近些年来,很多学者对其开展了研究工作。许晶禹[1]研究了水平管道中非牛顿幂率流体对气液间歇流动的影响,比较了不同液相介质对摩擦压降的作用,并指出一些经验模型在低黏领域预测效果较好,但是不要推广到高黏气液两相流动的预测。随后,Xu等[2]针对气体/非牛顿剪切变稀流体两相流动开展了系统的研究,分析了液相介质、管道倾斜角度以及管径等的变化对于相含率和压降的影响,并给出了压降预测模型。Matsubara等[3]对水平管道中的两相流动开展了研究,借助于一维动量平衡方程,给出了流型转换随液相黏度的变化规律。近期,Al-Ruhaimani等[4]研究了高黏液体气液两相的垂直管流,指出液相的黏度对段塞流持液率的影响,并提出了预测垂直管中持液率的半经验半理论模型。Gao等[5]研究了化学添加剂对于气液相含率、压降、液塞频率和表观速度的影响,给出了Webber数与无量纲液塞速度的指数关系式。为了准确地获取稠油开发中气液流动过程中相含率的变化,本文基于不同工况下的实验数据进行了相关的研究工作,研究主要针对水平、倾斜及垂直管道中气液间歇流动时的液相含率变化以及预测模型建立等展开。1数据来源及试验工况本文的实验数据来源于AI-Ruhaimani等、Chen等和Xu等的工作,详细的试验工况见表1。实验数据包含三种不同管径;管道倾斜角度从水平到垂直六种角度;液相介质为原油和CMC溶液。表中下标g和l分别为气相和液相,ρ为密度,μ为有效黏度,Vsg和Vsl分别为气相表观流速和液相表观流速。2无量纲参数分析由于高黏非牛顿流体两相流动非常复杂,难以通过理论推导获得精确解,因此本文主要通过无量纲分析来研究液相含率的变化。研究中,为了使混合Reynolds数和Froude数适用于气体/高黏液体的两相流动,进行了重新定义:??(28) M MMLV DRe(1)(0.35sin 0.54 cos)LFrM L MDgNV?????(28)??(10)-(2)式中:?M和?L为混合密度和液相密度,D为管道直径,?为管道倾斜角度,MV为混合速度,?L为液相的有效动力黏度,g为重力加速度。等式(1)中的混合Reynolds数引入了气液两相混合流速,同时考虑流动过程中的两相混合密度;由于混合黏度计算模型众多,且都存在相应的适用条件,因此经计算结果和拟合效果显示,针对本文所研究的高黏稠油,使用液相有效黏度计算得到的混合Reynolds数与液相含率曲线表现出更直观明显的关系。等式(2)Froude数的定义考虑了管道倾斜角度的影响,并且通过两个三角函数的权重来确定漂移速度的作用。图1给出了四种不同管道倾角下Froude数与液相含率的关系曲线。从图中可以看出,同一种液相条件下,不同角度的关系曲线非常相近,尤其在1/Froude较小的时候。即角度对于整体的影响被弱化,进一步证实Froude数定义式的拟合效果较好。通过控制来流条件,对水平、垂直及倾斜管流数据进行分析。在控制相应的入口来流条件时(如气相或液相表观流速和气液比等),作出双对数坐标系下液相含率和混合Reynolds数的关系,如图2所示。其中图2(b)的横坐标为混合Reynolds数与表1数据来源及测试工况Table 1. Data source and test conditions作者管道直径(mm)流体类型液相物理性质(kg/m3, mPa·s)表观速度(m/s)管道倾斜角度(o)Al-RUHAIMANI 50.8空气-原油μL=586, 401, 213,

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