油气混输管道流动特性研究
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第一章 绪论
1.1 背景及研究目的和意义
油气管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的运输方式，是一种专门由生产地向市场输送石油、煤和化学产品的运输方式，是统一运输网中干线运输的特殊组成部分。管道运输石油产品比水运费用高，但仍然比铁路运输便宜。大部分管道都是被其所有者用来运输自有产品。
油气管道运输的主要优点可概括为：运量大、占地少，管道运输建设周期短、费用低。运输安全可靠、连续性强。管道运输耗能少、成本低、效益好。
油气混输是当下普遍应用的油气管路运输方式。由于两相流体形态的特殊性，在不同管径、管网布置、流速、油气混合比例下，对整套运输系统的损害程度不同。
因此，为了使管道运输系统得到最低伤害并延长其使用寿命,降低维修成本，对石油和天然气输送管道、混合流动特性进行研究和分析。混合料运输的普遍性使得油气混输管道在分析流态方面显得十分必要。石油和天然气的两相流是较为复杂的流动现象，其参数变化将形成许多不同的流型。在工程应用中，气液两相流动压降、界面相份额、传热传质速率、界面稳定性都和流型有着密切的关系。只考虑流型影响的前提下，两相流的研究才能实现足够的精度，基于不同的结果的流型分析计算才可以达到最高的准确性。
两相流流型能否准确客观的识别是实现油田气液两相流精确、高效、可靠的生产和技术进步的重要前提。因此，客观上要求对各种流型要有准确的认识。如果采用FLUENT软件对水平管道内的油气两相流动特性进行模拟研究，从中得到了流场分布及其他有价值的参数，这样的话，在设计直径、管网布置、速度、石油和天然气的混合比例的时候，有了直观的参考条件，就会最大程度上减轻了运输的损害程度，使得效益最大化。
实际的油气混输过程中，管路的走向较为复杂。本文本着为实际操作提供理论依据的思路，对应用最为广泛的水平直管道进行了研究分析，倾斜管道、垂直管道及其他特殊形态未予分析。
1.2 本课题领域的研究概况
1.2.1 气液两相流动特性的研究
气液两相流用来描述在同一流量系统中同时存在气体和液体两流介质流动现象。气液两相流与单相流重要区别是流动的每个阶段之间存在分界面，并且各阶段的界限和形状随时间的分布、空间、流动而变化，随着流量、物性、管道的几何尺寸、位置等因素的变化，会呈现出多种流动形态。流型是描述气液两相流系统的基本要素之一，在气液
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两相流的研究和工程应用都有重要的意义。
对不同流型的成因和特点的认识，是研究两相流理论和规律的重要组成部分，也会影响到两相流其他的研究。被广泛认可的气液两相流分析方法主要有以下三种。第一种是经验方法，即从物理概念进行分析，用得到的基本微分方程式描述一个两相流的无因次参数，再根据实验数据得到经验公式。第二种是半经验的方法，即根据研究过程的特点，在适当的条件下，从两相流的基本方程描述这个过程的函数形式，然后根据实验结果得到的方程中获得经验关系式。第三种方法是首先区分气液两相流的流型，然后根据各种流型的特点，分析了其流动特性，建立方程。一般来说，最后一种方法是建立在两相流实质性特点的基础上进行研究分析，更具有推广意义。 1.2.1.1 气液两相牛顿流体流动特性研究 (1)气液两相牛顿流体流型划分
有关气液两相流研究分析多数是重力条件下的气体和牛顿液体(空气一水)的两相流流型和流型图，特别是在水平和垂直上升管流型、流型图的研究相对较为完善。重力的作用引起流动的不对称性,使得垂直流动流型比水平管内更复杂。所以液体堆积在管道下部的流体中，两相流流型变得更加复杂。两相流流型的定义目前并没有统一的标准，综合分析研究认为，随着气体流量的增大，液体流量水平管道类型大致分为：①泡状流(Bubbly Flow)；②气团流(Plug Flow)：③分层流(Stratified Flow)；④波浪流(Wavy Flow)：⑤段塞流(Slug Flow)；⑥环状流(Annular Flow)；⑦弥散流(Spray Flow)等。泡状流和弥散流属于分散型，团状流和段塞流属于间歇型，而分离型包括层状流，波浪流和环状流。
很多研究者对气液两相流进行了研究，Shoham(1982)提出将水平管中的气水两相 流流型分为6种，如图1-1所示。
图1-1气液两相流水平管流型
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Kokal and Stanislav(1989)所得到的流型比较详细，基本囊括了多数研究者所提到的所有流型，他把流型划分成了三个基本的区域：液体控制，气体控制和间歇的流动。其中液体控制的流动分为：分散气泡流和分散泡沫流(Dispersed Bubble and Froth，DB·I)；气体控制的流型分为：分层光滑流、分层波浪流、环状管壁流(Annular Wall，AW)和状流型；间歇流型分为：狭长气泡流(Elongated Bubble，EB)、携带分散气泡的狭长气泡流(Elongated Bubble and Dispersed Bubbles，EDB)、段塞流和段塞泡沫流型(Slug Froth，SLF)。
Bamea等学者从多相流连续性出发进行流型划分，按介质形态划分为连续(eontinuous)、间断的(intermitent)、弥散的(dispersed)。这种划分考虑介质连续性，既可以把两相流问题与单相流流体力学理论联系起来，又能将不同流型归结为较少几种模式，相互之间有比较明确的区别特征，简化了研究对象，方便了气液两相流的应用。 Bamea将流型划分为：分层流(分层光滑流和分层波浪流)、间歇流(团状流、段塞流和搅动流)、环状流、泡状流和分散泡状流。 (2)气液两相牛顿流体流型图
对于流型的研究，起初都是通过实验的方式进行的。直到现在，流型的可视化研究依旧是流型研究的最直接最有效的方法。用实验的方式归纳适用于不同条件下的流型图，对于流型的预测有很大的作用，也方便使用。
尽管目前众多人对于气液两相流流型判断的理论方法都进行了研究，但是由于对流动机理缺乏深入的了解，所建立的理论模型常常存在较大的误差。如今大多数的流型图都是在绝热常压的条件下得出，应用时不能超出该流型图实验范围。目前存在以下几个问题：①通用流型图大多采用二维坐标，主要是由气相和液相等几个参数决定的，忽略其它影响因素，使得流型图确定流型的准确性受到影响，尤其在流型转换区域特别明显；②大部分流型图所依据的实验数据来源于空气一水流动，流型图适用范围有限；③不同研究者得出流型图多数不一致，存在很大差异，表明对流型形成机理的研究处于经验阶段，把所有的流型统一到一个流型图是不可能的。 1.2.1.2 油气两相非牛顿流体流动特性研究
气体一非牛顿液体的两相流动，是上世纪中叶兴起的一个研究领域。在石油工业中是经常遇到的，在油气集输中，油井所生产的油气或者油气水混合物，其流变性呈现屈服应力或剪切稀释的特点，属于非牛顿液体。因此对石油工业而言，气体—非牛顿液体的两相管流研究是十分重要的。
国内外众多学者对气体一非牛顿液体的两相流动进行了研究，Baker流型图早在 1954年就发表于Oil&Gas Journal，但早期的计算两相压降并未考虑流型的影响。国内学者对气体一非牛顿液体两相流的研究是近几年才开始的。以大庆石油学院陈家琅教授为代表的一批学者对这一领域进行了较深入的研究，其研究成果对国内油田解决集输问
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题提供了很大的帮助。尽管世界上众多学者都进行了大量的研究，但是他们多采用聚丙烯酰胺水溶液(PAM)和羧基甲基纤维素水溶液(CMC)之类的聚合物水溶液作为液体介质，而对于高粘度液体气液两相流的实验数据十分匮乏。而且，至今尚未得出不同流型下较为准确的压降计算方法。我国的气体一非牛顿液体两相流的研究，近年来取得了长足的进步，但依旧存在众多缺陷。比如在考虑液相的非牛顿性质时，一般总认为是幂率液体，这是不全面的。从总体上说，还需要对气体一非牛顿液体两相流进行更深入的研究。
(1)油气两相非牛顿流体流型划分
气体一非牛顿液体的两相流动，是上世纪中叶兴起的一个研究领域。在油气集输中，油井所生产的油或者油水混合物，其流变性呈现屈服应力或剪切稀释的特点，属于非牛顿液体。因此对石油工业而言，气体—非牛顿液体的两相管流研究是十分重要的。
1993～94年，陈家琅等人连续发表文章，对气体与液体两相水平管流的压降和持液率提出了一个综合的流型模型。认为流动型态是决定两相管流压降规律的重要因素，并且对不同流型的流动机理和特点进行了探讨，给出了不同的压降计算方法和统一的持液率计算式。作者将流型分为六种：泡状流、层状流、波状流、团状流、冲击流和环状流，给出了流型图和流型分界线的回归方程。 (2)油气两相非牛顿流体流型图
Brill用空气一煤油、空气一润滑油为介质，在管径38.1毫米的管路内，进行了倾角对流型影响的试验。流型图如图1.1所示。他认为有的学者把流型分得过细，而某些流型事实上仅存在于很狭小的区域内，它们与其它流型的差别并不显著，也难客观地进行辨别。因此，他主张把流型只分为气泡、分层、段塞、环状流四种。通过试验，Brill得出一组以无因次准数表示的，适用于各种倾角的流型分界相关式，流型的判别中，考虑了粘度、密度、表面张力对流型的影响。
图1-2水平管道空气一煤油Brill流型图
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