气液两相环状流中夹带液滴特性研究

樊文娟1，彭 颖2

（1.西安石油大学石油工程学院，陕西 西安 710065；2.新疆油田公司风城油田作业区，新疆 克拉玛依

834000）

摘要：气液两相环状流中液体薄膜沿着管壁流动而速度较大的气核在管中心流动，通常速度较大的气核会夹带部分液滴。液滴夹带来源于沿着管壁流动的液体层的雾化速率和液滴沉积速率之间的平衡过程。目前大多数环状两相流的研究主要集中在对主要夹带现象的分析上。文中主要从夹带液滴直径、液滴速度分布和夹带分数3个方面进行夹带液滴特性研究。

关键词：气液两相流； 环状流； 夹带液滴； 夹带分数

当气相速度较高而液相速度较低时常常出现环状流，环状流中高速气相夹带部分液滴且和液滴在管中心流动，而液膜环绕着内管壁。夹带分数定义为气核中以液滴形式存在的液相流量与总液相流量的比值。夹带分数的预测对环状流中压降、持液率和干度的估计和分离器的设计和优化有着重要作用。

环状流中的高速气流引起大的剪切速度，导致界面剪应力较大，从而在液膜和气相波状界面上产生液滴。这些液滴可以在气相中合并，最终重新在液膜上沉积。当气相流速足够大时，一些液滴碰撞管壁顶部，形成非常薄的液膜。当液相速度较大时，液滴的夹带和沉积使得管壁一侧的液膜由于大振幅的扰动波变得足够厚，从而产生间歇流。

目前，对气液两相水平和垂直环状流都进行了很多理论研究。环状流主要有3个特点：气液界面上存在一系列波；从气液界面夹带至气核的夹带液滴；部分夹带液滴重新沉积在气液界面上。 1 夹带液滴直径

液滴直径分布的研究运用空气动力学分裂理论，而对于初始液滴直径有不同的机理，如环状流中的卷波剪切机理，由液体射流形成喷雾的雾化机理。当液滴被连续相环绕以相对较大的速度运动时，气动力会引起液滴的变形和破裂，当液滴直径大于最大稳定直径时，液滴开始振动，最终导致液滴破裂。因此，对于较小的液滴采用发生机理。

近年来很多研究者提出了若干描述液滴直径的关系式，如Tatterson 等[1]运用实验数据推出垂直和水平流动中液滴体积平均直径关系式；Patruno等[2]基于实验数据建立了液滴体积平均直径关系式；Fore 等[3]基于气液相雷诺数、流体密度和粘度建立液滴平均体积直径

[5]

关系式；Kocamustafaogullari等[4]建立环状流最大液滴直径关系式；Azzopardi 建立了气液

两相垂直环状流中夹带液滴索特平均直径关系式等。具体的关系式见表1。

表1 夹带液滴直径关系

研究者 Tatterson

Kocamustafaogullari Patruno et al. Berna et al.

关 系 式

dvm=0.106·DWeg-1/2Reg1/10

dvm=2.609·DCW-4/15Weg-3/5(Reg4/Rel)1/15(ρg/ρl·μg/μl)4/15 dvm=0.007·DCW5.18Weg0.75Reg-1.97Rel0.2(ρg/ρl)1.23(μg/μl)-4.47

dvm=2.634·DWeg-0.23Reg-0.54Rel0.13

表1中的dvm为液滴体积平均直径，Weg为气相韦伯数，Reg为气相雷诺数，Rel为液相雷诺数，ρg为气相密度，ρl为液相密度，μg为气相粘度，μl为液相粘度，CW为表面张力因子，D为管径。 2 液滴速度分布

通过对环状流实验数据进行分析可以估计出液滴速度分布。Fore and Dukler [6]用于描述沿管中心线液滴轴向速度的密度函数fv，ud为液滴速度，Jg为气相表观速度，见图1。

此图横坐标名称：ud/(m·s-1)；纵坐标名称：fv；删去边框及格线；并将图中的3条曲线分别（从左至右）标上：Jg=18.1 m/s, Jg=23.3 m/s, Jg=31.5 m/s。

图1 水在Rel=750时液滴速度分布密度

由图1可知，液滴速度分布的散布随着气相速度的增大而增大。

滑移比SR用于估计液滴速度，气相局部测量速度决定了管中心线的滑移比，用管中心

线气相平均速度和液滴平均速度定义，见图2。

此图横坐标名称：Jg /(m·s-1)；纵坐标名称：SR；删去边框、格线及Rel的矩形边框（不删边框里的数据）。

图2 水沿管中心线的滑移比

由图2可知，管中心线处的滑移比随着气相表观速度的增大的增大，且液滴以气相局部平均速度的80%的速度在管中心线运动。Azzopardi[6]关于液滴速度的研究表明液滴速度比气相速度小20%，并指出较小的液滴有以较大的速度运动的趋势。 3 液滴夹带分数

夹带分数表示气相中夹带的液体质量流量占总液体质量流量的比例，即液相在气相中的液体所占总液体量的份额。大的夹带分数通常发生在环状流中，因为环状流中气相速度相对较大，而分层流中夹带分数较小，但仍然对流动有着较大的影响。

液滴夹带分数是从雾化过程和沉积过程的平衡过程得到的。当气相速度很大时，液膜上部分液体在高速气相作用下以液滴的形式离开液膜进入气相，该过程为夹带过程，而气相中的部分夹带液滴重新沉降到液膜表面的过程为沉积过程。液滴的沉积过程通常被认为是一种传质过程，液滴的沉积量与沉积系数和液滴浓度成正比。Pan和Hanratty[7]基于液滴速度，液滴尺寸分布和波动特性对沉积系数进行了理论分析。Azzopardi通过分析液滴尺寸研究了垂直流动的沉积机理。

气液两相流中夹带液滴产生的机理可以分为4种：界面波机理、气泡破裂机理、液滴撞击机理以及液桥破裂机理[8]。其中界面波剪切夹带是气液两相流最为常见的液滴夹带机理。当气相速度较大时，界面波波峰在气相作用下沿流动方向拉伸变形，作用在波峰处的气相曳力大于表面张力时，波峰被气流剪切夹带至气流中形成液滴。在气液两相流动中，液滴在沉

积过程中会撞击液膜造成二次液滴的产生。此外，界面波在较大气速下，波峰向前翻滚的过程中，波峰与液膜表面的撞击也会产生夹带液滴。

Sawant[9]进行了垂直向上流动的实验，结果表明对于给定的液相流量，夹带分数随着气相速度的增大而增大，当气相速度非常大时，夹带分数渐近地达到一个限定值即最大夹带分数(Emax)，同时最大夹带分数值随着液相雷诺数的增大而增大。Sawant提出的夹带分数模型见图3。

图3 夹带分数计算方法

图3中夹带分数曲线分为3个区域：与韦伯数有关的0-A区，A-B过渡区，与液相雷诺数有关的B-C区。曲线代表当液相雷诺数为常数时，夹带分数随韦伯数的变化情况。

液滴夹带的主要研究在垂直环状流方面，通常存在对称的平均液膜厚度，对垂直环状流已经建立了很多夹带分数模型。Pan and Hanratty 提出了初始夹带的临界表观气相速度关系式。此外，发现夹带分数随着气液相流量、气相密度和管径的增大而增大，随着表面张力的降低而增大。同时Pan and Hanratty为水平环状流提出了一个类似的夹带分数关系式。

Lopez de Bertodano等[10]使用10 mm的管道进行了空气—水的夹带分数实验，并系统地测试了表面张力和密度比对夹带分数的影响。结果表明夹带分数和表面张力成反比，和液气相密度比的平方根成正比。

Dallman利用管径为2.54 cm和5.08 cm的水平管道进行了空气和水的夹分数实验，得出夹带分数随着气相速度的三次方而增大。当气相速度足够大时，达到了完全夹带的状态，即气相速度的进一步增大不会导致壁面液膜流量的减小。同时得出壁面液膜上液滴的沉积率随着液滴浓度线性变化，而壁面液膜的雾化率随着液滴流速线性变化。 4 结论

（1）液滴直径分布强烈依赖于气相流量，很少依赖于液相速度。液滴直径随着气相流量的增大而减小，通过增大气相速度，液滴直径分布向较小直径转移且其分布更趋于平均分布。