石油化工多相管流研究綜述及應用

王祺來

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

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石油化工多相管流研究綜述及應用

王祺來

（中國石油大學（北京）機械與儲運工程學院，北京 102249）

摘 要：多相管道流動廣泛存在于石油化工行業(yè)中，但目前國內(nèi)外研究學者對多相管流機理問題在實驗和理論方面尚存在有不一致的結論和認識，文章對多相管流研究進行調(diào)研整理，闡述了多相管流發(fā)展歷程及研究現(xiàn)況，介紹了近些年來的研究熱點，最后概述多相管流在石油化工行業(yè)的應用，對學者研究石油化工多相流管流問題起到一定理論指導。

關 鍵 詞：多相管流；石油化工；研究熱點；應用

多相管流是研究相異組份或者相異狀態(tài)的物質(zhì)共同存在于管流中的動力學及傳熱傳質(zhì)規(guī)律，廣泛存在于石油化工、能源動力、低溫制冷及航空航天等學科領域中。在石油化工中，常常需要處理不同組份或者不同相態(tài)物質(zhì)的流動問題，這種體系通常被稱作多相體系，相應的流動被稱為多相流［1］。兩相以上的流動廣泛存在于石油化工中，如石油、天然氣、水三相流動，甚至油、氣、水、沙四相同時流動。

隨著工業(yè)科技的發(fā)展，多相管流的原理研究及其應用儼然是石油化工領域的重要研究課題。但時至目前，研究人員仍不能徹底掌握多相流的原理，對許多問題在實驗和理論方面尚存在有不一致的結論和認識，所以也還不能提出精確描述多相流動特征的模型，多相流總體的理論體系框架還很不完善，高精度、適用范圍寬、便于實際應用的多相流技術還有待逐步發(fā)展，數(shù)值計算方法也還有發(fā)展空間［2］。

1 多相管流研究歷史及現(xiàn)狀

1.1 多相管流研究歷史

1949年，Lockhart-Martineli［3］首次提出利用經(jīng)驗關系代數(shù)式來求解多相管流的流動特性參數(shù)，直到上個世紀80年代，多相管流的學者都在探討較廣泛的流動前提下，廣泛得到實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并利用統(tǒng)計學等數(shù)學的方法，得出相應經(jīng)驗或者半經(jīng)驗的公式。其優(yōu)勢是計算簡單，在實驗范圍內(nèi)計算精度高，其缺陷是只適合在特定的條件下應用。

此后研究學者們幾乎都將科研重心轉到了機理研究上，探究多相管流的物理特性，建立相應數(shù)學物理模型，用數(shù)值方法簡化并利用計算器得出其解。Barnea［4］提出的統(tǒng)一流動模型適用任意傾角下的流型判斷，并指出各種流型之間變化的規(guī)律。Taitel［5］的段塞流動適用于任意傾角，根據(jù)質(zhì)量守恒定理得出單元段塞內(nèi)的平均持液率，根據(jù)動量定理得出液膜區(qū)長度和一個段塞單元長度，根據(jù)作用力定理得出通過段塞單元的壓降。Alves［6］的統(tǒng)一環(huán)狀流模型在任意傾角均適用，發(fā)現(xiàn)環(huán)狀流和分層流流型有許多共同點，不同點是環(huán)狀流的氣芯在中，使氣液相界面間摩阻系數(shù)計算方式不同。Gozllez［7］的統(tǒng)一泡狀流數(shù)理模型能對泡狀流中的液體持液率進行精確預測。統(tǒng)一流動模型的優(yōu)勢是其精度較高，可以得到流型的流動原理并且有更寬泛的適用性。

隨著多相管流的研究深入，研究者逐漸從研究現(xiàn)象向原理研究發(fā)展，因為研究多相流機理才可以真正抓住流型及各種流型變換的本質(zhì)。B.D.wood［8］等人對段塞流在下傾管中運動原理進行分析，發(fā)現(xiàn)下傾管為大傾角時，不會出現(xiàn)段塞流，而僅僅在下傾角較小時，由于長波出現(xiàn)導致流型不穩(wěn)定才會出現(xiàn)段塞流。Taitel［9］等人對水平管、上傾管中產(chǎn)生段塞流的本質(zhì)進行深入的分析研究，認為多相管路的擾動、管路傾斜角度的變化以及氣液兩相流量的變化等情況使管中出現(xiàn)Kelvin-Helmholtz小波的不穩(wěn)定現(xiàn)象是水平管和上傾管中易出現(xiàn)段塞流的本質(zhì)因素，使多相管流管內(nèi)流型發(fā)展，最終形成段塞流。

多相管流過程非常復雜，國內(nèi)外科研人員對多相管流進行了大量研究，但存在的問題主要是多相管流問題在實驗和原理方面尚存在不統(tǒng)一的認識和結論，多相流的體系框架建立還不夠完善，適用范圍廣、精度高、實用性強的多相流實驗性測試方法還有待研究，數(shù)值計算方法也還不夠成熟［10］。

1.2 多相管流研究現(xiàn)狀

到目前為止的研究現(xiàn)狀是：工程問題可通過實驗研究得以解決，對特定問題理論上已有比較清晰的認知，數(shù)值計算和數(shù)值模擬也已得到一定的發(fā)展。

當前的發(fā)展趨勢是針對多相管道流動基礎進行探究，提出合理的數(shù)學物理模型進行數(shù)值模擬，再用典型的實驗結果去檢驗，完善其數(shù)學模型，令其能得到更全面的應用。但目前數(shù)學模型工藝計算大都需借助經(jīng)驗公式和半經(jīng)驗公式得到，適用范圍十分局限。在實驗條件范圍內(nèi)，經(jīng)驗公式都擁有較好的準確度，可推廣到實際工程情況時便會引起大的偏差，甚至完全錯誤的結果［11］。

對于多相管流的參數(shù)計算，其核心內(nèi)容為流型的判斷、含液率及壓力梯度的計算。其中流型判斷、含液率計算是其根本，而最終目的是為了得到壓力梯度的計算方法。而多相管流的復雜性在于流型的不可確定性和多樣性、多相流各相間存在質(zhì)量及能量的交換和力的相互作用、界面不穩(wěn)定和隨機特性及流動特性參數(shù)難以測量。所以相比于單相管流，多相管流的研究更加困難。

當今石油化工中大部分兩相流分析都依賴于穩(wěn)態(tài)模型，完整的管路認為是由多段上坡管及下傾管組成，氣液兩相的流量、流動特性以及流型、壓降和含液率可利用經(jīng)驗公式或機理模型得出。其中穩(wěn)態(tài)氣液兩相流的機理模型是基于氣液兩相的質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程得出的，這些機理模型都與氣液兩相流的流型有關，對于段塞流，無論水平管、傾斜管和豎直管，學者都進行了大量的研究工作，Dukler和Hubbard［12］率先提出一種段塞流模型（圖1），此模型是一維模型，對每個段塞單元利用質(zhì)量和動量守恒方程進行求解，利用經(jīng)驗公式得出段塞單元長度及速度等參數(shù)，其可靠性和準確性很大程度上依賴于圈閉公式。

圖1 段塞流物理模型Fig.1 Physical model of slug flow

利用模型得到的計算結果一般不能直接用于實際多相管路計算，必須在壓力低、管徑小和輸量小得出的代數(shù)式加以修改，才可使之用于現(xiàn)場。

因此現(xiàn)在學者探究的方向有：

（1）各種不同的經(jīng)驗公式在流型的判斷、計算含液率以及壓力梯度的預測方面各有優(yōu)劣勢及適用范圍，應將各種經(jīng)驗公式加以恰當?shù)恼希瑥亩〉脩眯愿鼘挿?、更高精度的組合模型。

（2）探究各流型的多相管流流動規(guī)律，研究得到不同流型相互之間轉化的條件，建立起轉化模型，求解不同流型下的數(shù)理方程。

（3）選用效果好的測試方法，研究建立起各種流型瞬態(tài)模型，得出求解各流型下瞬態(tài)模型的方法。

多相流本身非常復雜，在數(shù)值模擬方面提出更為合理的多相管流理論模型，基本控制方程與圈閉條件的結合，對比各種離散化方法，加快離散化方程求解速度、增強計算機程序強壯性等仍然是研究學者們不斷追求的方向。研究建立準確度高的模型，不僅需要進行更為精細的理論推導以及基礎物理的發(fā)展，而且還要體量更大的實驗及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。

由此多相流相關的CFD模型開發(fā)在石油化工領域中變得格外重要。多相管流數(shù)值模擬的方法可分為兩大方向：多流體模型法以及拉格朗日法［13］。

2 多相管流研究熱點

2.1 地形起伏多相管流研究

對于存在地形起伏多相管流探究，把在小管徑、低壓和低流量得出起伏段塞流的特性參數(shù)變化規(guī)律加以整理，擴展到現(xiàn)實工程管路中是十分有意義的。段塞流動的物理參數(shù)有很多，主要有液膜區(qū)的長度、單元段塞長度、液膜區(qū)含液率以及段塞流動頻率等。目前對于段塞流這種流型形成的實質(zhì)機理，國內(nèi)外專家學者仍有許多不同的意見，尤其是對于關鍵物理參數(shù)的計算方面，目前對段塞流中的特性參數(shù)進行計算的模型有很多，然而均存在準確度不高的特點，十分有必要得到更加完美的段塞流的數(shù)理模型來計算關鍵特性參數(shù)。

由于石油化工工程上的需要，現(xiàn)階段多相管流研究出現(xiàn)了由靜態(tài)模型研究轉型到瞬態(tài)多相管流模型的發(fā)展。穩(wěn)態(tài)、僅與空間位置有關的公式在瞬時改變條件下無法使用，又由于瞬態(tài)兩相流模型是基于各相基本的守恒方程，相界面之間的動力學相互作用也是基于更為基礎的水平，所以這種模型的適用范圍更廣泛。所以得到瞬態(tài)多相管流模型十分有意義［14］。近些年水平管和傾斜管的瞬態(tài)兩相流模型逐漸發(fā)展起來。Ishii和Mishima［15］提出了在段塞流模型中計算一個拖動系數(shù)和虛擬質(zhì)量力更加具體的分析了段塞流動的動力學特性，V De Henau［16］提出了一種計算段塞流流動特性參數(shù)的瞬態(tài)模型考慮了拖動系數(shù)和虛擬質(zhì)量力對段塞流的影響。瞬態(tài)多相管流模型建立的困難在于能否實時精確的得到各工藝參數(shù)，尤其是對流型和持液率的檢驗以及求解。

2.2 多相管流的流型、壓力梯度及持液率研究

目前針對氣液兩相流的流型判斷以及壓力梯度的研究方面，在存在重力條件下的水和空氣的兩相管流流型及流型圖的研究及壓力梯度計算已經(jīng)十分透徹，但是面對小尺度的微管或者非常規(guī)管道形狀以及流體物性差異帶來的在管內(nèi)氣液兩相流的流型和壓力梯度的研究就十分有限。

流型研究方面，王樹眾［17］對空氣-油在垂直下降管中的流型進行實驗研究，表明油氣兩相流的流型不同于低粘液體的兩相流流動并且流型與液體的粘度密切相關。Wolk［18］研究了鉛直向上的當量直徑為6mm的非圓形截面管道中的流型變化情況，完善了非常規(guī)管道形狀管道各流型轉換的所需參數(shù)值。

壓力梯度研究方面，Dziubimsk［19］通過實驗研究發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)非牛頓流體與氣體一塊輸送的能大大減小平均壓力梯度，并提出了半理論半經(jīng)驗的計算壓力降的方法。Zhao［21］模擬航天器的微重力條件下的空氣-水兩相管流壓力梯度，實驗比較發(fā)現(xiàn)影響氣液兩相流壓力梯度的主要因素并非重力。

持液率研究方面，Cai［22］通過對油氣的混合物處于泡狀流和彈狀流這兩種流型情況下在鉛直管內(nèi)向下流動的持液率進行研究并得出相應規(guī)律。Hewitt［20］通過對油、氣、水三相在管道內(nèi)流動時的持液率進行研究發(fā)現(xiàn)：隨著管道內(nèi)持液率變化規(guī)律與油氣水三相的比例有關，持液率隨水相上升首先會不斷上升，最終達到一個峰值再快速降低。

3 多相管流在石油化工領域應用

在油氣田的集輸過程中，經(jīng)常采用多相管流的方式輸送。由于陸地上油氣資源有限性，使人們將視野逐步轉向深海、荒漠等地區(qū)。采用多相混輸投資少、運行費用低，相對單相管路優(yōu)勢明顯，多相管輸逐漸成為油氣儲運中常見的運輸方式之一［23］。

石油工程方面，大量學者進行了實驗和理論研究工作，獲得了在水平井中的油-氣兩相管流持液率、壓力梯度以及流體的流出狀況，最終才將水平井開采技術應用于實際。

油氣混輸過程中會出現(xiàn)不穩(wěn)定的段塞流情況，如果出現(xiàn)嚴重的段塞流工況，出口的設備運行工況變化劇烈，可能導致由于設備無法正常運作，影響到油氣產(chǎn)能。為了確?；燧敼艿涝诓煌瑢嶋H工況的正常平穩(wěn)運行，Minami［24］通過實驗和數(shù)值模擬相結合的方式對清管通球過程進行了研究，提出的清管器運行模型能預測清管壓力、清管速度、持液率等參數(shù)，計算結果和實際測得值吻合的很好。

流化床在化工領域廣泛使用，其中的三相流化床作為一種關鍵的化工反應器也有著不可比擬的地位。因此針對三相流化床的研究十分廣泛。Gavery［25］針對流化床中的泡狀流動過程進行研究，分析多種參數(shù)對其的泡狀流動的影響。

4 結 語

多相管流的研究涉及到物理、化學、數(shù)學及計算機等多個學科交叉，難度很大。因為多相管流在石油化工領域中的內(nèi)容十分繁雜，探討范圍很寬，沒辦法一一進行詳盡舉例，本文中所探討的內(nèi)容是目前為止石油化工方面多相管流研究的歷史、現(xiàn)狀、熱點及應用，每個研究方向的文獻都十分的豐富，本文只列出討論領域較為經(jīng)典的參考文獻進行說明，讓讀者對多相管流有個初步的了解和認知，為日后研究多相管流提供一定的指導和借鑒。

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Review and Application of Multiphase Pipe Flow in Petrochemical Industry

WANG Qi-lai
（China University of Petroleum， Beijing 102249，China）

Abstract:Multiphase pipe flow is widely used in petrochemical industry， but the researchers at home and abroad do not form a unified understanding of multiphase pipe flow mechanism in experiment and theory. In this article，correlational researches of multiphase pipe flow were investigated and systemized； the developing history， research progress of multiphase pipe flow were introduced， then the research highlights of multiphase pipe flow in recent years were presented. Finally， application of multiphase pipe flow in petrochemical industry was discussed.

Key words:Multiphase pipe flow； Petrochemical industry； Research highlights； Application

中圖分類號：TE 832

文獻標識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0345-03

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：王祺來，男，浙江杭州人，2014年畢業(yè)于中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業(yè)，研究方向：長距離管道多相流動研究工作。E-mail：396172717@qq.com。