氣體非牛頓流體兩相流動

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1、氣體/非牛頓流體兩相流動與氣/水兩相流動阻力特性的比較?勞力云吳應(yīng)湘鄭之初李東暉石在虹?(中國科學(xué)院力學(xué)研究所應(yīng)用流體力學(xué)研究室)?提要本文基于常用的均相流動模型，主要針對油/氣/水混輸管道中經(jīng)常遇到的氣體/冪律液體水平管道兩相流動，對其阻力特性進(jìn)行了闡述，其中包括流動基本模型和方程、常用的經(jīng)驗(yàn)估算方法等方面，將它與氣/水兩相流動中對應(yīng)的有關(guān)問題進(jìn)行了比較。SummaryInthispaper,thepressurelosscharacteristicsofthegasandpower-lawliquidtwo-phaseflowthatwasoftenmetwithi

2、noil/gas/waterconcurrenttransportationpipelinewerepresented.Basedthehomogeneousmodel--oneofthefrequentlyadaptedmodels,theissuesoffundamentalmodelandequationsoftheflowandtheestimationmethodsofpressurelosseswereincluded.Theseresultswerealsocomparedwiththecorrespondentsrelatedtogas/watertwo

3、-phaseflows.關(guān)鍵詞均相模型氣液兩相流非牛頓流體Keywordshomogeneousmodel,gas/liquidtwo-phaseflow,non-Newtonianfluid??1引言在海洋石油資源開發(fā)中，油氣混輸正在成為一種越來越重要的油氣輸運(yùn)手段。為了了解油氣混輸管道中的能耗，進(jìn)行混輸管線與增壓系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，在油氣混輸過程中對油、氣、水等介質(zhì)進(jìn)行有效準(zhǔn)確的計(jì)量，以及對整個混輸系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控等等，需要深入了解油氣混輸管道的流動阻力特性。另一方面，油氣混輸問題實(shí)際上屬于氣液兩相流動中的氣體/非牛頓液體的流動問題。而目前在國內(nèi)外，氣液兩相流研究

4、主要集中于對氣體/牛頓液體（尤其是氣/水兩相流）的流動特性上，對于氣體/非牛頓液體流動問題的研究相對較少，尚無比較成熟的結(jié)果。因此，對氣體/非牛頓液體的流動阻力特性進(jìn)行研究，不但具有重要的工程價值，也具有較大的學(xué)術(shù)意義。實(shí)際測試結(jié)果表明，我國油田所生產(chǎn)的原油，在常溫輸送時，其流變特性表現(xiàn)為冪率流體的特性——流動剪應(yīng)力與剪應(yīng)變呈現(xiàn)為冪率關(guān)系（對于管流即）[1，2]。其主要的參數(shù)為稠度系數(shù)K和冪率指數(shù)n。本文中的非牛頓液體即指這一類流體。下面根據(jù)兩相流的均相流動模型和基本方程，針對油/氣/水混輸管道中經(jīng)常遇到的氣體/冪律液體水平兩相流動的阻力特性進(jìn)行了闡述，并討論了對摩擦系

5、數(shù)的經(jīng)驗(yàn)估算方法，將它與氣/水兩相流動中對應(yīng)的有關(guān)問題進(jìn)行了比較。?2均相流動模型在某些兩相流態(tài)中，如果一相均勻地彌散在另一相中，兩相間的動量傳遞和能量傳遞足夠快，兩相的局部平均速度和溫度就基本相同。此時，可以應(yīng)用均相模型對兩相流的流動特性進(jìn)行研究。均相模型的基本思路是用一等效可壓縮流體代替兩相流體。一般，在研究氣泡流、霧狀流等流態(tài)下的流動特性時，常采用均相流模型。均相模型的基本假設(shè)為：（1）（1）氣液兩相具有相同的線速度，即（式中u表示介質(zhì)線速度，下標(biāo)G,L和H分別表示氣相、液相和均相，下同）；（2）（2）兩相間處于熱平衡狀態(tài)。對于兩相管流，設(shè)其軸線方向?yàn)閦，根據(jù)連續(xù)

6、性、動量守恒和能量守恒原理以及上述假設(shè)，可以得到：（1）（2）（3）上列式中，為介質(zhì)密度，A為流道截面積，p為管道中的壓力，Pr為流道周長，為管道壁面剪應(yīng)力，為質(zhì)量流速，為介質(zhì)比容，g為重力加速度，q為管道軸線的傾角，F(xiàn)為管道中摩擦力所引起的能量損失。比較（2）、（3）兩式，易知由摩擦力引起的管道壓降（4）式中fTP兩相摩擦系數(shù)，De為兩相流動水力直徑。實(shí)際上，（2）式反映了這樣一個事實(shí)，管道的總壓降由管道摩擦壓降、管道加速壓降和管道重力壓降三部分構(gòu)成的。流體的流變特性不影響其中的加速壓降和重力壓降，但將通過影響兩相摩擦系數(shù)而直接影響摩擦壓降。3氣/水兩相流的摩擦系數(shù)計(jì)

7、算均相模型在本質(zhì)上將兩相流動視為單相流動，其摩擦系數(shù)的確定方法與單相流動類似。在單相流動的摩擦阻力計(jì)算中，摩擦系數(shù)f與流體介質(zhì)動力粘度m的關(guān)系比較簡單，主要決定于流動的Reynolds數(shù)（式中D為單相流動的水力直徑）。當(dāng)Re低于2000時（層流），摩擦系數(shù)為(5)當(dāng)Re高于2000時（湍流），則應(yīng)用Blasius公式：(6)對于氣體/牛頓液體的氣液兩相流，常采用以下三種方法計(jì)算粘度[3]：（1）取兩相粘度為單相粘度。當(dāng)含氣率較低時，取兩相粘度為液相粘度(7)當(dāng)含液率較低時，取兩相粘度為氣相粘度(8)（2）低濃度懸浮小球粘度計(jì)算式。對于空隙