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1、多相管流理论与计算,石工学院 张黎明办公室 B407 电话 15863038069邮箱 ,第一章 概 论,第一节 引言,多相流理论,多相流体力学理论,相 相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部 分， 与体系的其它均匀部分由界面隔开,多相流动体系 两相或两相以上的流体一同参与流动的体系,多相管流,多相流体在管道中的流动,Multiphase Flow,多相流动 两相或两相以上的流体一同参与的流动,油水混合物： 从相的角度 区分为 油相、水相 从物质形态看同属液态,相,物质形态(气态、液态、固态),盐水： 从相的角度划分只有 液相 从组分划分可分为：水和NaCl,相,组分(指混合物中的各个成分
2、 ),原油？,水-冰 液固两相流 水-水蒸汽 气液两相流 泥浆 液固两相流 油-气 气液两相流 油-气-水 气液液三相流,单工质（相同化学成分）,多工质（不同化学成分）,多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新的理论来反映多相流体流动规律。,多相体系：水-冰、水水蒸汽、泥浆、油气、油气水等,多相体系的类型,热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管航天技术：平衡温差、保护设备核工业：汽液两相流动石油工业：两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、油气集输化工行业：工艺设计其它行业：水利、粉状物管线输送,多相流应用领域,油气是深埋于地下的混合流体矿藏，因此，油气藏的开发与开采离不开流体力学理论及其
3、分枝多相流理论。,举例来说，渗流理论、油气井压力控制、油气管流计算、举升参数设计、工况分析、集输设计等，都离不开多相流的理论与计算方法。,多相流理论是贯穿于石油开采全过程的基本理论,一、多相流理论在石油工业中的地位和作用,石油工程(油气井工程和油气田开发工程)以及油气储运工程都与多相流理论有着极为密切的联系。,钻井工程：油气井压力控制 (含气泥浆的压降计算),采油工程：采油方式优化设计、采油设备的工况分析 （油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）,储运工程：油气集输管线的设计 （油气混合物在管线中压降和温度的计算）,许多工程设计都将计算多相流体在管道中流动的压降和温度。,一、多相流理论在石油
4、工业中的地位和作用,自喷采油示意图,油井能否自喷？一定产量的油气混合物到达井口时的剩余压力？,井口油压井底流压两相流压降,自喷生产机械采油(人工举升),自喷采油设计中的两相流计算,气举采油系统示意图,依靠从地面注入井内的高压气体与油层产出流体在井筒中混合，利用气体的膨胀使井筒中的混合液密度降低，将流到井内的原油举升到地面。,气举采油及井筒压力分布,设计的原则：最大限度地发挥油藏的潜力和地面设备的能力，获得最高的产油量。,常规有杆泵生产,地面驱动螺杆泵生产,有杆泵采油设计中的两相流计算,近年来，随着陆地油气资源的日趋减少，石油和天然气勘探开发已转向广阔的海洋。早期开发的海上油田都位于浅海水域，采
5、用的是固定平台采油系统。1965 年前，钻探活动一般小于90m 水深。水下采油技术的发展不仅使深海石油开采成为可能，同时大大降低了深海采油成本，目前深水(4001500米)和超深水(超过1500米)海域的油气开发，已成为美国、英国、挪威、巴西等国竞相开展的热点。,海洋及深水采油中的多相流计算,探明世界石油储量的80以上位于水深500m的深水区，海洋平台造价高昂。,典型的海洋采油系统,固定平台,张力腿平台,半潜式平台,海底管线,浮式生产储油（FPSO）船,单点系泊,单点系泊,但当水深达到2000ft(约600m)时，其温度将下降至40(4.4)左右。油气混合物的热量大量散失，温度会迅速降低，原油
6、和油水乳状液的粘度会明显增加，天然气水合物、蜡、沥青质等固态物质也可能在管道中析出并沉积。,流动保障 Flow Assurance,“流动保障” 确保油气的无阻塞流动并使系统的运行费用达到最低。,Pipe-in-Pipe,保温材料,管线管束(flowline bundles),渤海平均水深18m,最深83m,黄海平均水深44m,最深140m,东海平均水深370m,最深2719m,南海平均水深1212m,最深5377m,石油工业中的多相流技术研究始于1950年左右,早期研究者大多采用实验研究的方法，所使用的数据主要来自室内实验和油田实际生产,80年代初，计算机的引入极大地促进了多相流的发展,二、
7、多相流理论的研究简史,控制方程（机理模型）,物理现象,流动机理,70年代，石油工业开始采用已在其它工业领域中使用的一些物理机理来预测多相流的流型,80年代中期应用高新技术及仪器进行多相流的模拟试验，期望深入认识多相流动现象及流动机理，从而改进模型，提高精度。 核密度计、超声波传感器、电导和光导探针、电容传感器、 激光多普勒测速仪、高速摄像机等。 西安交通大学 动力工程多相流国家重点实验室 目前，双流体瞬态模拟方法和精确描述物理现象的稳态机理模型是多相管流研究的主要方法,1、多相流问题未得到解析解,2、油气水三相流的研究不够深入,3、水平井段变质量流动研究较少,5、缺乏专用研究仪器,4、缺乏向下
8、流动的综合机理模型,三、目前存在的问题,水平井示意图,气液两相流基本概念气液两相流的模型油藏流体高压物性的计算多相流体的温度分布计算垂直气液两相管流压降计算水平气液两相管流压降计算倾斜气液两相管流的压降计算专题（多相流实验及研究）,课程主要内容,第二节 气液两相管流的基本特征与研究方法,细分散体系 细小的液滴或气泡均匀分散在连续相中 粗分散体系 较大的气泡或液滴分散在连续相中 混合流动型 两相均非连续相 分层流动 两相均为连续相,依相态对流动特性的影响分,一、基本特征,气液两相流的分类 Gas-liquid two phase flow,体系中存在相界面 两相之间也存在力的作用，出现质量和能量
9、的交换时伴随着机械能的损失 两相的分布情况多种多样 两相流动中两相介质的分布状况称为流型 两相流动中存在滑脱现象 相间速度的差异称为滑脱，滑脱将产生附加的能量损失 沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变,2 气液两相流的基本特征,垂直气液两相流流型,水平气液两相流流型,多相流体的主要流型,不能简单地用层流或紊流来描述气液两相流水平或倾斜流动不是轴对称的由于相界面的存在增加了研究的复杂性总能量方程中应考虑与表面形成的能量问题多相流动中各相的温度、组分的浓度都不是均匀的，相之间有传热和传质各相流速不同，出现滑脱问题，是多相流研究的核心与重点,3. 研究气液两相流应注意的几个问题,1. 经验方法
10、从气液两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者根据流动的基本微分方程式，得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后依据实验数据整理出描述这一流动过程的经验关系式。,优点：使用方便，在一定条件下能取得好的结果,缺点：使用有局限性，且很难从其中得出更深层次的关系,穆迪（Moody）图,二、研究方法,2 半经验方法 根据所研究的气液两相流动过程的特点，采用适当的假设和简化，再从两相流动的基本方程式出发，求得描述这一流动过程的函数关系式，最后用实验方法确定出函数关系式中的经验系数。,优点：有一定的理论基础，应用广泛,缺点：存在简化和假设，具有不准确性,3 理论分析方法 针对各种流动过
11、程的特点，应用流体力学方法对其流动特性进行分析，进而建立起描述这一流动过程的解析关系式。,优点：以理论分析为基础，可以得到解析关系式,缺点：建立关系式困难，求解复杂,1.定义：两相流动中两相介质的分布状况称为流型或两相流动结构。,流型是两相流的一个重要的研究方面,各相介质的体积比例介质的流速各相的物理及化学性质(密度、粘度、界面张力等)流道的几何形状壁面特性管道的安装方式,三、流动型态,2.影响流型的因素,第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分,3.流型分类,垂直气液两相流流型,水平气液两相流流型,第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分 分散流、间歇流和分离流三种,第一类划分
12、方法较为直观,第二类划分方法便于进行数学处理,第一类划分方法,泡状流,弹状流或团状流,层状流,波状流,段塞流或冲击流,环状流,雾状流,第二类划分方法,分散流,间歇流,分离流,分离流,间歇流,分离流,分散流,4.流型图,描述(表示)流型变化及其界限的图。把流型变换的实验数据加以总结归纳后，按照两个或多个主要的流动参数绘成曲线，便可以得到流型图。,贝克的流型分布图,阿齐兹-戈威尔-福格拉锡流型分布图,第三节 气液两相流动的特性参数,一、流量,质量流量: 单位时间内流过过流断面的流体质量，kg/s,体积流量: 单位时间内流过过流断面的流体体积，m3/s,二、流速,实际速度(velocity) : 单
13、位相面积所通过的该相体积流量,m/s,气相实际速度,液相实际速度,折算速度(superficial velocity):又称表观流速， 假定管道全被一相占据时的流动速度 , m/s,气相折算速度,液相折算速度,两相混合物(平均)速度,混合物的质量速度,二、流速,滑差(滑脱速度) Slip velocity Slippage velocity气液两相实际速度之差 。,滑动(滑移)比 Slip ratio气相实际速度与液相实际速度之比。,三、滑差和滑动比,质量含气率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量G中气相质量所占的份额。,四、含气率与含液率,质量含液率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量中
14、液相质量所占的份额。,体积含气率：单位时间流过过流断面两相流体(混合物)总体积Q中气相所占的份额。,体积含液率：单位时间流过过流断面两相流体(混合物)总体积Q中液相所占的份额。,与x间的关系,真实含气率(void fraction): 又称截面含气率或空隙率， 为任一流动截面内气相面积占总面积的份额(气相面积与管道总面积之比)。,真实含液率(liquid holdup): 又称截面含液率或持液率， 为任一流动截面内液相面积占总面积的份额(液相面积与管道总面积之比),与的比较,快关阀法测量真实含气率：易于实现，只能得到平均值，且不能在线测量。,快关阀示意图,真实含气率的简单测量,流动密度: 单位时间内流过过流断面的混合物质量与体 积之比。,五、流动密度与真实密度,真实密度：在流道上取微段，微段内两相流体的质量 与容积之比,流动密度与真实密度的比较,第一章小结,相的定义,气液两相流流型的两类划分方法,气液两相流的基本特征,两相流的主要研究方法,流型、流型图,流量（质量、体积）,流速（实际速度、折算速度、混合物速度）,滑脱速度、滑动比,含气率与含液率(质量、体积、真实)及其相互关系,密度（流动密度与真实密度）,
