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1、5 66 化 工 进 展 C H E MI C A L I ND US T R Y A N D E N GI N E E R I NG P R OG R E S S 2 0 0 9年第 2 8卷第 4期 C 0 进展与述评 管道内油水两相流动研究进展 钱 益斌，杨利 民 ( 江苏工业学院化 学工程系 ，江苏 常州 2 1 3 1 6 4) 摘要：综述了国内外有关圆管中油水两相流动过程中的流型、相转换的研究现状，并重点介绍了油水垂直两相 流中液滴粒径及分布、持液率、压力降计算等方面的研究成果。同时分析了研究中所存在的问题并指出了今后的 研究方向，为进一步开展油水两相流研究提供相关参考。 关键词：
2、油水两相流；相转换；液滴粒径分布；持液率；压降 中图分类号：O 3 5 9 文献标识码 ：A 文章编 号：1 0 0 0 6 6 1 3 ( 2 0 0 9 )0 4 0 5 6 6 0 8 Re s e a r c h a d va nc e s i n o i l - wa t e r t wo - p ha s e flo w QI AN Y i b i n ， Y ANG L i mi n ( De p a r t me n t o f Ch e mi c a l En g i n e e r i n g ，J i a n g s u P o l y t e c h n i c Un
3、i v e r s i t y ，Ch a n g z h o u 2 1 3 1 6 4，J i a n g s u，C h i n a ) Abs t r ac t ：Re s e a r c h r e s u l t s o f flo w p a t t e r ns a n d p h a s e i n v e r s i o n o f o i l - wa t e r t wo- p ha s e flo w i n t ub e s are r e v i e we d Th e r e s e arc h a d v a n c e s i n h y d r o d y
4、 na mi c c h a r a c t e ris t i c s o f o i l wa t e r flo w i n a v e r t i c a l p i pe ， s u c h a s d r o p s i z e di s t r i b u t i o n， ho l d u p， pr e s s u r e d r o p， are pa r t i c u l arl y s u mma r i z e d Th e e xi s t i ng p r o b l e ms i n t h e r e s e arc h a r e a n a l y z
5、e d a n d t h e r es e arc h f r o n t i e r s f o r f u r t h e r s t ud y o n o i l wa t e r t wo - ph a s e flo w a r e als o pr e s e nt e d Ke y wor ds ： oi l wa t e r flo w ： p ha s e i nv e r s i o n； d r o p s i z e d i s t r i bu t i o n； ho l d u p； p r e s s u r e dr o p 多相流是 门只有数十年历史的新兴科
6、学，是 在流体力学、传热传质学、物理化学、燃烧学等科 学基础上发展起来的。在能源、动力、石油化工、 核能、制冷 、航天等丁业部 门中有广泛用途，发展 迅速。白2 0世纪 6 0年代以来，核电站、航天工业、 动力工业 以及化学工业 中，应用了大量的水气、油 气及油水等两相流动； 采矿工业应用了大量的气液、 液固和液液等两相流技术； 石油化工应用 了气液固、 气液液等三相流动技术。这些都大大促进了多相流 科学的发展。 在石油工业中，由于地层中含有一定量的水 ， 并挟带天然气，在石 油开采过程 中会一起进入管 道形成 油气水 相流。随着 油井开采深度 的增加， 天然气含量逐渐减少 ，而水相的含量逐渐
7、增加 ， 更多 以油水两相流 为主 。事实上，国内的许多油 田已进入开采 中后期，2 0 0 3年全国油田平均含水 量达 到 8 4 ，部 分 油 田水相 含 量 甚全 高达 9 8 。 近年来 ，海上油 田开发混输管 网的应用、新型反 应器和分离器的研发等亟需对油水两相流的流动 特性有进一步的认识。因此 ，研究油水两相流在 管道 中的流动规律有着重要指 导意义。本文作者 重 点了介绍圆管 内油水两相流 的流型、以及油水 两相垂直流的流动特性 ，并对油水两相流的研究 和应用前景进行了展望。 1 油水两相流流型及相转换 在油水两相流中，由于两相问的物理性质 ( 如 密度、黏度、界面张力等 )以及
8、流动条件 ( 如管道 结构、形状流速等 )的差异，流体内部会呈现各种 不 同的几何分布，这种流体流动时的内部形态和结 收稿 日期；2 0 0 8 一O 90 2 ；修改稿日期：2 0 0 8 1 03 1 。 第一作者简介：钱益斌 ( 1 9 8 2 一 ) ，男，硕士研究生。联系人：杨利 民，博士，副教授 ，主要研究多相流及多相流反应分离工程。E ma i l l y a n g j p u e d u c a 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第4期 钱益斌等：管道内油水两相流动研究进展 5 6 7 构即称为流型。油水两相流在不同流型条件下具有 不同的流体动
9、力学和传递性能，每种流型都有其固 有的空间分布特征和流动特性，如压力梯度、持液 率及传质系数等。因此是油水两相流的一个重要研 究方面 。影响流型的因素多种多样，主要有油水两 相的体积流率、密度、黏度、界面张力、流动方式 ( 并流或逆流 ) 、管道 的管径大小、几何形状、管道 方向、各相的引入方式等。此外，管道 中若存在热 量传递，也将影响两相 的流型。 近几年来 ，国内外 的许 多学者对 圆管 内油水 两相流流型、流 型转 换及相转换进 行了研 究。总 的来说对水平两相流 的研 究较 为全 面，国内一些 学者亦对此进行 了阐述 】 - 3 】 ； 倾斜管内的油水两相 流动研究也取得了 定的进展
10、 J ；相比之下 ，垂 直管 中油水两相流 的可用数据十分有 限，许多时 候需借助 油水两相水平流或气液两相垂直流 的研 究成果 。 1 1 油水两相流流型 T r a l l e r o 等 。 。 以 矿 物 油 和 水( , o = 2 9 7， p o p = 0 8 5 ，a =- 0 0 3 6 N m，2 5 6)为介质，在直 径为 5 0 8 l i ra的丙烯酸树脂管中完成了油水两相水 平流流型实验。基于原有文献资料及研究结果，结 合实验观察，对流型进行了重新划分，分为分隔流 ( S T 、 S TMI ) 和分散流 ( D o w&W、 o w、 D w o &D o w、
11、 w o ) 两类 6种流型 ( 见图 1 ) 。 分层流 ( S T) 中，两相的界面是光滑的，流体依密度大小分层。 随着流体流速增加，相界面处扰动加剧，出现波浪 和液滴 ， 流型转为含混合界面的分层流 ( S TMI ) 。 水相流速进 一步增大，油滴逐渐分散到水相并在 管 道底部存在一水层 ， 形成水层上的水包油分散流 ( D o ww) ，进而转为水包油分散流 ( o w) 。在一定 条 件下 ，油滴 分散 在水 相 中在 管道 下 部流动 ，而 水 滴分散在油相中在管道顶部流动，形成油包水和水 包 油双层 分散流 ( D w o& D o w) ；而 当油相 相 比 较大，混合流速较
12、大时，水滴会分散在油相中形成 油包水分散流 ( w o ) 。其中 o w和 w o之间的差别 震 S T& M I Dw o& Do w Do w W o w 震 图 1 油水两相流流型划 分 是连续相和分散相发生互相交换，一般混合物流速 较大时 ( 大于 2 m s )出现这些分散流。当相 比变化 达到某个临界相比时两种流型就会发生转换 ，也称 相 转 换 ， 而 相 应 的相 比称 为 相 转 换 点 ( p h a s e i n v e r s i o n p o i n t ，P I P ) 。当所用油品黏度较高时，在 一定流动条件下，油水两相流还会 出现弹状流 、环 状流等其它流
13、型 J 。 N i d l e r等 在直径为 5 9 0 mm 的有机玻璃管 中对油水两相水平流进行 了观察，发现了 7种流 型 。流型总体上与 T r a l l e r o总结的类似，其中一个 较 明显的差别是 出现 了水层上 的双层 分散流 ( D w o& D o w W)和水层上的油包水分散流 ( D w o&W) 这两种流型 。 N i d l e r 等的实验结果表 明： 管道底部 的水即使在高流速下也难 以完全进 入分 散相 中。 An g e l i 等 J 分别在直径为 2 4 3 mi n的不锈钢管 和 丙 烯 酸 树 脂 管 中 完 成 了 油 水 两 相 水 平 流
14、 ( = 1 6 ，p o p = 0 8 0 3 )流型实验，并分析 了压 降梯度 。实验发现，管壁的粗糙度和亲水性会不同 程度地影响油水两相流流型。 由于重力作用与流体流动方向处于同一轴线， 垂直流动基本上呈对称形态 ， 其流型较水平流简单。 但 由于重力作用使得流动参数 的预测变得更为 复 杂，如压降、相转换等。表 1简要总结了油水两相 垂直流的相关研究报道。 G o v i e r 等【 J 训 在 内径 2 6 4 m _r n的垂直上升管中研 究了油水两相流流型，共观察到 4种流型：泡状流 ( b u b b l e fl o w) 、弹状流 ( s l u g fl o w) 、
15、沫状流 ( f r o t h fl o w)及雾状流 ( mi s t fl o w) ，并建立了相应的流型 图。他们指 出：液液两相流中观察到的流型和在气 液两相流中的相 同，两种体系 中流型的区别是由于 黏 度 、密度 和 界面张 力 不 同造 成 的 ，并 认 为在任 意 水流量下，只要空气流量大约 1 0倍于油相流量时， 气液两相流即表现出与油水两相流相同的流型。 T u l s a大学的 F l o r e s 等l 1 l J 在 内径为 5 0 8 mm 的 垂直上升管 中观察到了 6种油水两相流流型：水 包油分散流( D o w) 、水包油细小分散流( VF D o w) 、
16、水包油块状波旋流 ( o w CF ) 、油包水块状 旋波流 ( w o CF ) 、油包水分散流 ( D w o ) 、油包 水细小分散流 ( VF D w o ) ，并绘制 了相关流型 图 ( 见 图 2 ) 。同时提 出了流型转变机理模型 ，指 出 细小分散流转 变是基于湍流动能及液滴表面 自由 能之问的作用 ，而块状波旋流的转变及相转变是 由于凝聚和聚合作用 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m5 6 8 化 工 进 展 2 0 0 9年第 2 8卷 g 蜒 要 * 1 0 0 1 油相 表观 流速 m S 图 2 垂直 上升管油水两相流流 型图 “ J
17、a n a a 等I J 以密度各为 7 9 2 k g m 、1 0 0 0 k g m ， 黏度分别为 0 0 0 1 3 7 P a S 、0 0 0 1 P a S的油水作为 实验介质 ，采用探针技术在直径为 2 5 4 mm的内烯 酸树脂垂直 卜 升管中进行了流型实验，并利用概率 密度函数 ( P D F)分析了其随机 电波信号。实验过 程中观测到了泡状流 ( b u b b l y fl o w) 、分散泡状流 ( d i s p e r s i o n b u b b l y fl o w) 、波旋 流 ( c h u r n t u r b u l e n t fl o w)
18、及中心环状流 ( c o r e a n n u l a r fl o w) 4种流型， 但没有 出现明显的弹状流， J a n a a等根据实验结果绘 制了相应的流型图 ( 见图 3 ) 。 R o d r i g u e z 等 以重质油 ( 黏度为 0 5 P a S 、 密度为 9 3 0 k g m )和水为介质 ，在长为 2 5 6 m、内 径为 2 8 4 m m 的垂直上升管中观察到了环状流，并 考察了该流型下的持油率及油水两相界面处的相关 参数如界面波形状 、波速、波长等 。实验发现 ：所 有 的波长长度均小于 2倍的管道直径 。 国内方面 ，钟兴福等l 1 】 以油水为介质
19、 ( 油密度 0 8 2 5 g c m 、黏度 3 1 0 P a S 、表面张力 2 8 6 2 1 0 N m；水密度 1 0 0 0 g c m 、黏度 0 8 9 0 1 0 1 P a S 、表面张力 7 1 2 5 1 0 N m； 油水界面张力 1 6 1 5 1 0 N m) ，在 内径为 1 2 5 0 mm 的垂直圆管 中进行了流型观测实验。通过该模拟井实验 ，重新 划分 了油水两相垂直流流型，并给出了流型判别标 准。实验结果表 明：小直径管道中的流型划分结果 能成比例地应用到大直径管道中，而且划分标准 或界限也不能按比例放大或缩小。 金宁德等I J 在含水率为 5 1
20、9 1 、油水两相 流总流量为 1 0 6 0 m d的范围内，对 内径为 1 8 0 mm垂直管中油水两相_ _ 卜 升流 ( 油水密度比为 0 8 2 ， 油水黏度 比为 3 2 6 )流动工况的电导波动信号进行 了分形及混沌时间序列分析 。实验表明：分形维数 及混沌吸引子相关维数对油水两相流流型变化具有 敏感 的 “ 指示器”特性。 l籍 f t 分散包 状流 I 一-泡状流 _- l l 旋波流 中 心 王 1： l l 兰 ： ， ； 三 士 一 -五 ， ： 1 j 士 ， _ L 车 一 ，一 茸 十 菁 l 1 l O 1 1 l 0 油相表 流速 m S 图 3 垂直上升 管
21、油水两相流流型 图 目前为止，对垂直下降管中的流型转变的研究 则更少。其中较突 出的是 B a r n e a 和 C r a wf o r d 】 等 的研究。 B a r n e a和 C r a w f o r d针对低黏度流体， 各 自修正或提 出了用于下降流流型预测的预测模型。 王树众等 1 通过理论分析，提出了一种预测垂直下 1 O O 1 1 1 s - u v 煺要 罢 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 4期 钱 益斌 等：管道 内油水两相流动研究进展 降管中两相流流犁转变的方法 ，该方法用于预测高 黏液体两相流流型转变时和实验数据相符 良好
22、 。 L a n L i u等 一 2 0 利用激光诱导荧光技术在油水垂直 向下流中进行了流型实验，发现混合流体在低流速 下出现 了波形环状流、环状流、分散流及其它一些 过渡流型，分析了液滴合并变形等物理过程，并提 出了持油率计算模型 。 总体来说，研究者们对水平液液两相流流型的 划分和认识 已基本形成共识 。相对而言，垂直液液 两相流的实验数据较为缺乏 ，其 中对流型的划分尚 存在不少分歧。实验大多在管径 2 0 0 8 0 0 mm 的 管道中完成，更大管径和 1 0 0 ml i 1 以下小管径的流 型研究数据十分有限。除少数实验外，液液两相流 流型实验所采用油品均为轻质油，黏度亦不高。
23、比 较现有流型图，可 以发现不同油品的液液两相流体 系即使在相同流速下流型也会有所不同，这可能是 由于油品的物性不同而造成的。因此，若要建立普 遍适用的流型图，仅仅 以两相流的各 自折算流速作 为绘图参数存在明显缺陷和不足，必须考虑黏度 、 密度、管径等其它因素对流型的影响。 1 2 相转换 相转换作为油水乳化系统 中的一种现象，当操 作条件稍有变化即会发生，如从水包油型转变成油 包水型，反之亦然 。但 随之而来，分散相与管壁问 的动量、热量和质量传递速率却会发生急剧变化。 由于在相转换点 ( P I P)或接近相转换点时，其重要 的流体力学特性会突然随之改变 ；同时，不同流型 下直接接触管道
24、的液相及接触方式存在很大差异， 很大程度 上决定了其对管道 的腐蚀程度，故相转换 点是油水两相流运输管道设计的重要参数。然而，管 流条件下油水相转换的预测理论还缺乏深入研究。 A r i r a c h a k a r n 等 利用 前 人和 他 们 自己 的实验 数据， 提出了相转换点时水相体积分率 的关联式： r ， ， 、 1 = l I = 0 5 0 1 1 0 8 lo g 10 ( , o ,-r ) u111 i 式中， 。 为油相黏度， 为相对黏度， 为水 相表观速度， 为混合流速。对丁高黏度油品 ( 大 于 0 2 P a S )，B r o c k s 和 R i c h
25、 mo n d认为 ， 为一常 数，约等于 0 1 5 。但 B r o c k s 等的研究结果中包含了 表面活性剂的作用，而含表面活性剂与不含表面活 性剂的系统的相转换机理差异很大，无法直接应用。 Nfi d l e r z J 在动量守恒 的基础 上，假设界面剪 切力可忽略，流层问无相对滑动，提出了下述经验 方程： 1 = 十七 (1-n ) n (。 ) 一 I 式中， D是管道直径，c 0 、 C w 、 ， l 。 、 n 为 B l a s i u s 方程系数，k l 、k 2 为经验系数；k 由局部构型决定； 则表征各相的流态。 Br a u n e r等l 2 认为油水两相
26、系统中的相转换与 D o w流型和 D w o流型之间的过渡界线相对应。 为了确定一个预测相转换的临界条件， B r a u n e r 等考 虑了稠密分散相中系统 自由能最小化这一因素，并 作了以下假设：系统中油水两相组成与系统温度 保持不变；管壁对流体的可湿性可以忽略；油 水两相的自由能相同； 只考虑相界面处的自由能。 在此基础上，他们得到 了下列表达式： = 式 中， 、 分别为油水密度比与运动黏度比。 与有效的实验数据对 比，B r a u n e r和 Ul l ma n n 模型在管径相近条件下的预测值与实验结果更为接 近，而且还能够解释油水两相管道流和静态混合器 中相转换现象的某
27、些特征。但该模型没有考虑管径 的影响。 2 流动特性及相关参数 当油水两相流处于不同类型的流型时，其流体 流动结构及动力学性质各不相同， 如流体表观黏度 、 分散相的液滴粒径大小与分布 、压降和持液率等 。 压降与持液率在石油管网混输过程中十分重要；液 滴粒径大小与分布不仅会与连续相相互作用，影响 其流体力学性质 ，从而影响整个系统的能量损耗与 压力需求，还会影响相界面处的传热和传质情况。 另外，液滴分布情况对于研究新型反应器 ( 如环流 反应器 )和分离设备 ( 如 T形管)也有重要意义。 2 1 表观黏度 油水两相流是 一 种多相流体系，内部结构会因 剪切力的影响而遭到破坏。研究表 明：当
28、分散相持 液率较低时，油水两相流服从牛顿定律，但在多数 情况下油水两相流并不遵 守牛顿定律。此时，其黏 度称为表观黏度 ，影响表观黏度的因素多种多样 ， 包括流体物性、流速、分散相液滴分布及相转换特 性等。在相关文献中，出现了许多用于计算分散流 中表观黏度的方程和关系式。 D u k l e r 等r 2 J 针对气液两相流，提出了用各相体 积分数进行加权平均，根据这一原理油水两相流混 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 7 0 化 工 进 展 2 0 0 9年 第 2 8卷 合黏度 可表示为 m ： so 。 0+ Cw w 式中， 是混合有效黏度 ；C o
29、、s 分别为油相 和水相 的体积分数 ； 。 、 分别为油相和水相 的 黏度。 He w i t t 提出了另 一个用 丁计算有效混合黏 度的关系式 t m = ( 1 一C lm ) 【 ( 1 一 w ) 。 +s w w 】 + I 。 s 。 一 式中， 是连续相的黏度；E w 、s c 分别为进口水 相和连续相的体积分数；c m 混合程度系数，为 0 41 。 并利用帝国理工大学 WAS P实验数据进行了验证， 得到了很好的预测结果，平均误差仅为 0 4 3 。 蔡继勇等 2 6 J 利用实验结果，提出了相关方程 式，它克服 了早先E i n s t e i n 和R o s c o
30、 e 黏度公式的局 限。表达式如下 。 油包水型 =0 4526e- O O 5 7 4 7 6 t p- O O 6H l 水包 油型 =。 。2e一 0 _。 4 5 P一 。 。 6，I + 了 三 l 式中，P是系统压强；t 为系统温度。 k # l- ，P a l等【2 7 科研者亦对表观黏度 的影响因 素及计算作 了相关研究。但是，目前尚没有全面考 虑表观黏度影响因素的计算模型，绝大多数模型是 通过实验得 出的，由于实验条件 同，很难具有普 遍通用性 。 2 2 液滴粒径大小及分布 在石油化工 中经常会遇到互不相溶 的液液两 相分散流系统 。由于液滴分布对设备运行 ( 如液液 接触
31、器或相分离器 )有很大影响，故在实际生产中 分散流 中的液滴粒径分布状况显得十分重要。 近年 来，一些新型测量技术得到了应用 ， 如激光衍射技 术 钔 、激光背散射技术 刚 、激光探针技术 及 高速摄影照相技术 1 ，尽管如此，有关液滴粒径 及分布的研究仍然较少。Ku r b a n 等分别利用针状 电导探头和照相摄影技术测量 了局部液滴粒径 ， 结 果发现在相 同流型条件下用照相摄影技术和 电导 探头技术测量 的 S a u t e r 平均半径分别为 6 7 8 g m、 2 0 6 g m，两者问存在较大差异 。但是 ，这些研究大 多在分散相浓度较低时进行， 总的来说液滴粒径数 据仍十分
32、有 限。 许多研究者研究 了液液分散的机理和模型【 3 引 。 分散相中的液滴主要受到两类作用力的作用：一类 是使液滴分散或阻止液滴合并的湍流作用力，另一 类是使液滴合并或阻止液滴分散的分散相凝聚力。 湍流作用力包括湍流惯性力和湍流剪切力两种 ，分 散相凝聚力包括界面张力和黏性力、液滴问的胶结 力两种。对于低黏度的分散相，黏性摩擦力可以忽 略不计。因此，界面张力和液滴的胶结作用是两个 主要的凝聚力。如果湍流力大于凝聚力，就会使液 滴变形并且破碎 ，可分为湍流惯性力破裂液滴的分 散机理与湍流剪切力破碎液滴的分散机理这两种分 散机理。如果湍流力无法克服凝聚力，则液滴逐渐合 并， 同样可分为湍流惯性
33、力阻止合并和湍流剪切力阻 止合并的两种合并机理。研究表明： 两种分散机理下 的液滴破碎过程存在差异。 由湍流惯性力而造成的破 碎， 液滴受到湍流惯性力的冲撞被击碎成一些小粒径 的液滴云，随后这些小粒径液滴相互分离开；而由湍 流剪切力造成的破碎，液滴先发生变形并受到拉伸， 随后断裂成小粒径液滴。B r a u n e r及其它 些科研者 还提 出了液滴加速 ( a c c e l e r a t e d d r o p s )等理论。 在油水两相流分散研究中，常用 S a u t e r 平均直 径 2 来表征液滴大小。其与两相界面的面积有如 下关系： 口 = 6 d 3 2 d 3 2 = n
34、 i d n i 式中，a 是单位体积内的相界比表面积； 是 分散相体积分率； 和 m分别表示液滴粒径与液滴 数量 。 Az z o p a r d i等 总结 了各研 究中实验原料、管 道结构、原料物性和测量技术的差异，并在较大的 分散相浓度范围内进行了实验 。他们发现：当分散 相体积浓度大于 5 时，反散射技术测得的统计分 布结果 是可 靠 的；相反 的 ， 由于受 流体混 乱度 的 限 制，衍射技术只适用于浓度小于 3 的情况，目 液 滴粒径符合上限对数正态分布 ，并指出如果实验数 据符合上限对数正态分布 ， 可 以通过 S a u t e r 平 均粒径 2 进行计算： 式中， a和
35、为可变参数 ， 符合上限对数正态分 布时分别取 1 3 5 、0 6 1 。 Az z o p a r d i等将实验结果和 Hi n z e模型 计算 结果进行比较后得出：低分散相浓度下的最大液滴 粒径符合 H i n z e模型；当浓度较高时，测得的实验 数据与 H i n z e模型有 一 定偏差，需要一个能在高浓 度下适用的理论 与模型。 南 I l 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m第 4期 钱益斌 等：管道 内油水 两相流动研 究进展 5 7 1 2 3 压 力降 两相流压力降是指两相混合流路径上的的压力 下降值 。根据动量守恒原理，压力降主要由
36、摩擦压 力降、加速压力 降、位重压力降和各种管件处的局 部压降组成 。其 中摩擦压降是总压力降中最主要的 部分。现有文献 中已有大量关于压力降的关联式和 模型，但是由于压力降的影响因素错综复杂， 目前 还没有一个特 别准确 的关系式 。在流速较低 时， T a i t e l等使用分层模型模拟分层流条件下的管路压 降，预测结果较好。但在分散流型中，乳状液有时 会呈现非牛顿流体 的流动特性，增加 了沿程阻力的 计算难度。 油水两相垂直流的总压降，若不考虑管道组件 如弯头 、扩大管等的压力损失，可认为由摩擦压力 降、位重压力降和加速压力降三部分组成，其普遍 表达式为 一 =一(誓 一 (詈 一 (
37、罢 d z d z f d z dZ 若忽略加速压降的影响，可进一步表示为 一詈 ： 一 (罢 jf一 (警 J口 = 一 (2 f,o ，P m U m D + P m ，g ) F l o r e s等【 3 6 J 亦认为油水两相垂直流中加速压降 可忽略不计。 作者通过实验研究了流体流型、流速、 入 口水相百分含率等因素对压力降的影响，并计算 了水包油型和油包水型中摩擦压力降： ( d p ) f = 2 f ,p P m U m D 根据 B l a s i u s 方程，摩擦系数 。 = C R e m “ R e = P c U D ，P = P o + P w 式 中，C和 n分
38、别取 6 3 8 、0 8 4 。 2 4 持液率 由于油 、水两 相 间物理 性质 的不 同，两相 流 中 的持水率 ( 截面含水率 )会 同于入 口含水率，即 油、水问存在着滑脱，而滑脱程度与油、水配比及 混合物的流速有关。滑脱现象在较低的含水率条件 下更为严重。 相关研究表明： 当入 口含水率相同时， 持水率则将随混合物流速的增加而减小；当含水率 较低时，流速对持水率的影响更为显著。 均相模型是最简单的分析模型，把混合流看作 是 种均匀介质 ，其流动参数取两相相应参数的平 均值 。根据这一模型假设，可 以利用垂直管中油水 两相 的流率计算其持液率 = 韭 ； =1 一 = ； U = U
39、d +u 。 式 中， 、 分别为分散相和连续相平均流速； 。、 。分别为分散相流速和连续相表观流速 ；U m 为两相流平均流速 ； s c分别表示为分散相和连 续相 的持液率。 相关研究表明：细小分散流体系中 ( 水包油型 或油包水型) 油水两相问的滑脱现象可 以忽略不计， 对于这些流型可以直接应用均相模型。但是，由于 两相间的物性不同，分散相与连续相之间存在速度 差异 。为此，Z u b e r等提出了漂移模型来解释这一 种现象。后来一些研究者将其应用到油水两相流中 以预测持液率。漂移模型综合考虑 了油水两相间的 速度差别、管道截面中混合物浓度分布和速度分布 的影响，其关系式为： u ：C
40、o U ： ； 式中，c n 为分布系数 ，表示液滴和浓度分布情 况 ，其值需根据液滴的分布情况而改变；U d 为漂移 速度，可通过液滴终端速度 计算而得。 F l o r e s等结合 漂移模 型 、Z u b e r等 的理论及 Ha r ma t h y公式推导出了一个用于计算 垂直管中水 包油型分散流 ( D o w和 o w C F )持油率的关联式， 并通过实验分析 了关系式中相关参数的取值。李明 忠 等 利 用 漂 移 模 型 、Wa l l i s半 经 验 公 式 及 H a r ma t h y 公式得 出了计算 油水垂直两相流持液率 的另一模型。 水包油型 U 。 = C
41、 o U + U ( 1 一 g o ) 油包水型 U 。 = C o U + U 。 ( 1 一 ) 式中，C o 、s 分别为持油率和持水率 ；U m为平 均流速 ；C 0 为分布系数，与 n是该模 型中的关键 参数 。 R o d r i g u e z 等利用均相模型对实验进行了分析 ， 并建立 了通过测量波速 计算垂直上升管 中油水环 状流持油率的关联式 u 。 ( 1 - ) 一 S U - e o C e o - ( 1 - ) = 0 f 为参考速度 =n ( ， 73 ， l 式中，S 、C 、m 为可变参数 ；g是重力加速度 常数；P 、 1分别为密度、黏度 ；为持油率；a
42、 、 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 7 2 化 工 进 展 2 0 0 9年第 2 8卷 n 为表征相界面摩擦的参数，是常数，这里分别取 0 0 7 9 、0 2 5 。模型预测结果与试验所得数据吻合 良 好。持液率相关模型还有 N i c o l a s Wi t t e r h o l t ( N w) 模型及 Mu k h e r j e e B r i l l( M B)模型等。 3 应 用 近年来 ，液液两相流 己在石油、化工、冶金等 许多领域得到了应用，主要有以下方面。 ( 1 ) 油水混输管网技术通常油田集输管网的 投资约 占地面工程总投资的
43、 1 3 ，集输能耗则 占生 产总能耗的 4 0 。油水混输管线的合理设计和正常 运行，将为油田地面工程节省大量的建设费用和运 行管理费用 。国内外的一些学者通过理论分析和实 验研究分析了油水流速对流动状态 的影响，得 出： 提高油水混合流体流速可实现 降黏开采输送，并将 理论应用于地面油水输送管线及油井举升中，取得 了明显效果。康万利等 驯 分析 了分层流、混合流及 分散流不同流型下压力梯度变化情况，并根据 已建 立的油水两相流理 沦压降模型编制了计算机应用程 序，用于预测高含水期油水混输时的压降。 ( 2 )液液两相环流反应器 环流反应器是近 2 0年来在强化鼓泡反应器的基础上发展起来的，
44、 其 主要优点是流体定向流动，流速较快，单位体积的 相界接触面积大 ，高流速流体易形成分散流且两相 处于高度湍流状态，传质和传热效果好、能耗低， 对反应物之间的混合、传热、传质均很有利。 目前 气升式环流反应器的研究 已较为普遍并有了工业化 应用，而对液液环流反应器的研究则十分有限。针 对液液两相环流反应， 些科研者提出了容积传质 系数 、液 滴粒 度 、分散 相百 分率 、连续 相循 环液速 、 摩擦压力损失等参数的测量方法并在实验室中进行 了应用，为液液环流反应器 的设计与优化提供了相 关基础【 3 刚 。 但是 ， 液液两相环流反应器仍主要集 中在实验室阶段，管径一般在几毫米至十几毫米之
45、 间 ，而 在这 一管 径范 围 内的流型研 究十 分缺 乏 ， 由 于流型划分不能按管径成比例放大或缩小，现有的 流型实验数据还缺乏针对性 。 大 此，需要大量小管 径下相关流型实验数据作为液液两相环流反应器设 计和研发的依据 。 ( 3 ) T形管分离器对 T形管处两相流流动的 科学研究源于核能发电。 进入 2 1 世纪后， 其研究焦 点逐渐转移到利用 T形管处气液、液液、液同、气 固等两相流流动过程中的分配不均匀性，将其作为 两相分离器进行相分离性能的研究，并 已有化工生 产的应用报道。Az z o p a r d i 等l 4 l J 在 2 0 0 1 年成功利用 T形管新型分离器替
46、代了一家化工厂的闪蒸塔，取 得了 良好的经济效益 。杨利 民等I 4 引 首次报道 了油水 两相流在 T形管处的分离研究，提出了分离效率这 一一新的分离效果评价指标，并综合阐述了气液、液 液两相流在 T形管分离的研究成果I 4 引 。但是，总的 来说可用的实验数据仍十分缺乏，加上 T形管分离 效果的影响因素错综复杂 ，在分离效率预测模型方 面仍没有获得大的突破 。 4 结 语 对液液两相流动规律 的认识和研究 已有 5 0多 年的历史，对油水在水平管内的流动时的流型有 了 较为一致的共识，流动压降也有了大量的实验数据 和经验方程；但对油水两相在垂直流方面的研究还 很欠缺 ，出现的流型也 由于实验条件的 同而存在 较大的差别，对流型的分类也 尚不统 。对液液两 相流中的流型转变机理、流动特性参数的影响因素 等仍未能有理论方面的建树。两相流实验技术和手 段的发展以及计算流体力学理论和 计算机模拟技术 的快速进步，为研究两相流提供了先进的工具。可 以期望未来在流型、相转换、压降、液滴大小分布 的实验和珲论方面取得较大进展 。 在液液两相流 的应用方面，如液液萃取、液液 反应、油水流动在线分离等，将随着研究的深入而 出现更加高效的现代化装备，为这些领域的技术创 新和设备更新做 出贡献。 符号说 明 下 角 标 c 连续 相 d 分散相 o 油相 w