一種水平及微傾斜管內(nèi)氣液兩相水動(dòng)力段塞流的判別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水平及微傾斜管內(nèi)氣液兩相水動(dòng)力段塞流的判別方法，屬于海洋石油工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在海洋油氣生產(chǎn)過(guò)程中，正確預(yù)測(cè)氣液多相管內(nèi)的流型對(duì)實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)及控制均有重要的意義，而發(fā)生在傾斜管道內(nèi)的段塞流由于其氣液相間歇流動(dòng)的特性，對(duì)油氣生產(chǎn)和儲(chǔ)運(yùn)的安全構(gòu)成危險(xiǎn)因素，因此是油氣輸送過(guò)程中尤為關(guān)注的多相流問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外已有眾多研宄者提出了段塞流的理論預(yù)測(cè)模型，例如Kordyban與Ranov、Taitel與Dukler、Lin與Hanratty、Ruder與Hanratty等人。他們的理論預(yù)測(cè)模型大多基于K-H不穩(wěn)定性理論或者界面波的不穩(wěn)定性理論，雖然能夠成功預(yù)測(cè)分層流到段塞流的轉(zhuǎn)變界限，但各個(gè)理論的適應(yīng)范圍皆有局限，例如粘性對(duì)K-H不穩(wěn)定性理論有明顯影響，由此有研宄者提出了 VKH不穩(wěn)定性理論，考慮液相粘性對(duì)界面波發(fā)展的影響，有效擴(kuò)充了 K-H不穩(wěn)定性理論的適應(yīng)范圍，但實(shí)際段塞流氣塞過(guò)程極為復(fù)雜，理論預(yù)測(cè)模型很難充分考慮各個(gè)因素對(duì)的影響。且在折算氣速較低的情況下，VKH與IKH尚有一定不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種操作簡(jiǎn)單、判別準(zhǔn)確的水平及微傾斜氣液兩相水動(dòng)力段塞流的判別方法。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種水平及微傾斜管內(nèi)氣液兩相水動(dòng)力段塞流的判別方法，包括以下步驟:
[0005]I)在漂移流關(guān)系式的基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的液相相含率H_EXP，改進(jìn)漂移速度Utl的表達(dá)式，改進(jìn)后的U ^為液相折算速度U a的函數(shù):
[0006]U0 (Usl) = Ug-Um= U SG/ (1-Hl_exp) -Um
[0007]= (Um-Usl)/( 1_Hl_exp)-Um
[0008]上式中，Ue表示氣相速度；UM表示氣液兩相的混合速度山^表示氣泡在靜止液體中的上升速度(也稱漂移速度)；ua表示液相折算速度；u se表示氣相折算速度；
[0009]2)根據(jù)Utl隨U a的變化規(guī)律關(guān)系式，繪制漂移速度U ^隨液相折算速度U %的曲線，并根據(jù)曲線形態(tài)判斷氣液兩相水動(dòng)力段塞流，具體的判斷準(zhǔn)則為:當(dāng)漂移速度Utl隨液相折算速度1的增大而遞增時(shí)，管道內(nèi)的流道為分層流；當(dāng)漂移速度U ^出現(xiàn)由遞增變?yōu)檫f減的拐點(diǎn)時(shí)，管道內(nèi)的流動(dòng)由分層流開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?；在漂移速度Utl的遞減段，當(dāng)出現(xiàn)曲線線型發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)時(shí)，管道內(nèi)的流動(dòng)由段塞流開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)榕轄盍鳌?br>[0010]在所述步驟2)判斷準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，以液塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)α作為水動(dòng)力段塞流的量化判據(jù)，具體判定方式如下:當(dāng)α〈O時(shí)即表示管道中沒(méi)有液塞區(qū)域，即為分層流；當(dāng)0〈(!〈I時(shí)，表示管道中有液塞區(qū)以及Taylor氣泡區(qū)，此時(shí)流動(dòng)為段塞流；當(dāng)α>1時(shí)，表示液塞區(qū)充滿整個(gè)管道，此時(shí)流動(dòng)為泡狀流；
[0011]其中，液塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)α的物理意義為:液塞區(qū)長(zhǎng)度占總管長(zhǎng)的比例，其表達(dá)式如下:
[0012]α — (HL_av-HL_ST) / (Hl_sl-Hl_st)
[0013]上式中，Hwv表示管內(nèi)的總體平均液相相含率；HmT表示Taylor氣泡區(qū)的液相相含率表示液塞區(qū)的液相相含率。
[0014]液塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)α表達(dá)式中的凡、UP H L_SL由下式得到:
[0015]Hl= 1-U sg/Ug= (U SL+U0 (Usl) ) / (UM+U0 (Usl))
[0016]Hl_st — 1-U sg-st/Ug-st — (U sl-st+Uo (Usl-st) ) / (?+? (Usl_st))
[0017]Hl_sl — 1-U sg-sl/Uq-sl — (U sl-sl+Uo (Usl-sl) ) / (?+? (USL_SL));
[0018]上式中，USL_ST表示Taylor氣泡區(qū)的液相折算速度；U SG-ST表示Taylor氣泡區(qū)的氣相折算速度；Ue_ST表示Taylor氣泡區(qū)的氣相速度；U 表示液塞區(qū)的液相折算速度；Usei表示液塞區(qū)的氣相折算速度表示液塞區(qū)的氣相速度。
[0019]本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點(diǎn):1、本發(fā)明基于漂移流模型以及改進(jìn)的漂移速度Utl的表達(dá)式提出了一種簡(jiǎn)潔的水動(dòng)力段塞流判別方法；2、提出了液塞區(qū)體積分?jǐn)?shù)的概念，作為水動(dòng)力段塞流的判別準(zhǔn)則，結(jié)合I中的判別方法，能夠?qū)崿F(xiàn)管內(nèi)水動(dòng)力段塞流與分層流、泡狀流的快速區(qū)分。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1 U0(Usl)隨 Usl變化規(guī)律(局部，Um= 10m/s)；
[0021 ] 圖2對(duì)數(shù)坐標(biāo)下U0 (Usl)隨Usl變化規(guī)律(U M= 10m/s);
[0022]圖3本發(fā)明模型預(yù)測(cè)結(jié)果與經(jīng)典預(yù)測(cè)模型的比較；
[0023]圖4水平管段塞流示意圖；
[0024]圖5 U0 (Usl)隨USL變化規(guī)律示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0026]本發(fā)明提出了一種水平及微傾斜氣液兩相水動(dòng)力段塞流的判別方法，它包括以下步驟:
[0027]I)在漂移流關(guān)系式的基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的液相相含率H_EXP，改進(jìn)漂移速度Utl的表達(dá)式，使之能夠適應(yīng)低氣液流速的流動(dòng)工況，具體過(guò)程如下:
[0028]①將漂移流關(guān)系式Ue= 結(jié)合兩相流表觀氣速與氣相速度的關(guān)系Use= Ug -Hg以及液相、氣相相含率的關(guān)系HJHe= 1，可以得到液相相含率I的表達(dá)式:1= 1-Use/(cuM+u0)；
[0029]上式中，Ue表示氣相速度；UM表示氣液兩相的混合速度；C.Um表示氣相速度中由于管內(nèi)流動(dòng)引起的速度分量，其中C為分布參數(shù)(為漂移流模型的專用名詞)；％表示氣泡在靜止液體中的上升速度(也稱漂移速度)；扎、He分別表示液相與氣相的相含率；Ua、Usg分別表示液相與氣相折算速度。
[0030]②經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分布系數(shù)C的值約等于1，結(jié)合兩相流混合速度的定義式Um= UsJUse，可以將液相相含率扎的表達(dá)式簡(jiǎn)化為:
[0031]Hl= (U SL+U0)/(UM+U0)
[0032]但以上漂移流模型有一個(gè)典型的局限:不適應(yīng)于液相折算速度較低的情況。當(dāng)液相折算速度Ua趨近于O時(shí)，液相相含率并不趨近于0，而是某一固定值:
[0033]Hl= U0/(UM+U0)
[0034]③由于上述液相相含率扎的表達(dá)式不能反映真實(shí)的物理過(guò)程，因此本實(shí)施例采用由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的液相相含率IVexp代替，此時(shí)由兩相流表觀氣速與氣相速度的關(guān)系式，可以得到Utl隨U a的變化規(guī)律:
[0035]U0 (Usl) = Ug-Um= U SG/ (1_HL_EXP)-UM
[0036]= (Um-Usl)/( 1_Hl_exp)-Um
[0037]當(dāng)Um為固定值時(shí)，U0(Usl)可以視為Us^J函數(shù)。對(duì)于上式中的液相相含率H卜-，本實(shí)施例采用Bhagwat在2014基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果修正的漂移流模型計(jì)算，Bhagwat模型修正了傳統(tǒng)漂移流模型不能適用于低液相折算速度的局限，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近。
[0038]2)根據(jù)Utl隨U a的變化規(guī)律關(guān)系式，繪制漂移速度U ^隨液相折算速度U %的曲線，并根據(jù)曲線形態(tài)判斷氣液兩相水動(dòng)力段塞流，具體的判斷準(zhǔn)則為:當(dāng)漂移速度Utl隨液相折算速度1的增大而遞增時(shí)，管道內(nèi)的流道為分層流；當(dāng)漂移速度U ^出現(xiàn)由遞增變?yōu)檫f減的拐點(diǎn)時(shí)，管道內(nèi)的流動(dòng)由分層流開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳?；在漂移速度Utl的遞減段，當(dāng)出現(xiàn)曲線線型發(fā)生變化的轉(zhuǎn)折