氣液段塞流液塞卷吸氣體研究.pdf

1、在目前的長距離陸上混輸管道系統(tǒng)以及海洋油田混輸生產(chǎn)系統(tǒng)中，段塞流是一種常見的流動(dòng)現(xiàn)象。由于長氣泡尾部破碎引起的液塞頭部卷吸氣體的現(xiàn)象對段塞流的一些關(guān)鍵參數(shù)比如液塞長度、液塞速度以及壓降等有較大的影響。深入研究液塞頭部和液膜區(qū)的速度特性以及液塞區(qū)含氣率分布、小氣泡尺寸分布等分散氣泡的特征參數(shù)對于了解液塞頭部氣體卷吸現(xiàn)象的本質(zhì)以及發(fā)生機(jī)理有很大的幫助，有必要對此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)及理論研究。
　　本文在實(shí)驗(yàn)室建造了兩套實(shí)驗(yàn)環(huán)路，小環(huán)路實(shí)驗(yàn)段為內(nèi)

2、徑50mm的有機(jī)玻璃管，放置在可調(diào)角度的桁架上，用于構(gòu)造固定液塞進(jìn)行液塞區(qū)局部相界面參數(shù)測量;大環(huán)路由內(nèi)徑55mm的不銹鋼管道組成，主要進(jìn)行連續(xù)段塞流實(shí)驗(yàn)，對段塞流的液塞長度、液塞速度、液塞頻率等宏觀參數(shù)以及液塞區(qū)的局部相界面參數(shù)進(jìn)行了測量研究。本實(shí)驗(yàn)主要測試手段為可沿管內(nèi)徑向移動(dòng)的雙頭電導(dǎo)探針、單頭電導(dǎo)探針以及高精度的壓力傳感器和差壓變送器。
　　本文進(jìn)行了水平管以及不同傾角下的固定液塞實(shí)驗(yàn)，使用雙頭電導(dǎo)探針對液塞區(qū)的局部含氣率

3、、氣泡頻率、氣泡速度、氣泡尺寸等相界面參數(shù)進(jìn)行了定量測量，并且對液塞頭部水躍面的壓力與壓差參數(shù)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在液塞區(qū)存在著湍流剪切層，該區(qū)域內(nèi)含氣率和氣泡頻率在徑向分布上均存在峰值。隨著距液塞頭部軸向距離的增大，湍流剪切層的厚度變大，湍流強(qiáng)度減弱直到難以辨認(rèn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)探索，提出一種測量液塞頭部氣體卷吸率的方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，氣體卷吸率與液塞頭部液膜區(qū)Fr數(shù)和Re數(shù)成正比，提出了新的氣體卷吸率預(yù)測模型，與實(shí)驗(yàn)很好相符。小氣泡的速度徑向

4、分布顯示在混合區(qū)域靠近管底部的速度邊界層區(qū)域速度梯度很大，在液塞下游的充分發(fā)展區(qū)域，氣泡速度徑向分布與1/7次冪率曲線吻合很好。液塞區(qū)的氣泡弦長分布可以用對數(shù)正態(tài)分布曲線很好地?cái)M合，在較小的氣泡弦長處存在尺寸譜分布的峰值。傾角對固定液塞區(qū)的氣體卷吸有一定影響，隨著上傾角度的增大，在同樣的液相流量下，湍流剪切層區(qū)域的湍流強(qiáng)度增大，流動(dòng)在軸向上的發(fā)展更快。
　　進(jìn)行了不同液相物性的實(shí)驗(yàn)，使用了三種不同濃度的水-十二烷基苯磺酸鈉溶液來改

5、變液相的表面張力，使用了三種不同濃度的水-羧甲基纖維素鈉溶液來改變液相的粘度。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液相物性改變后，固定液塞區(qū)域的氣體卷吸結(jié)構(gòu)沒有明顯改變，仍存在著湍流剪切層。隨著液相表面張力的降低，流動(dòng)的發(fā)展變慢，液塞充氣區(qū)域在軸向上變長;對不同區(qū)域的氣泡尺寸研究表明，氣泡在液塞頭部區(qū)域更容易破碎，而在液塞尾部區(qū)域更難以聚合。對氣泡尺寸的研究表明，隨著液相粘度的增大，氣泡在液塞頭部區(qū)域更容易破碎，在液塞尾部區(qū)域更容易聚合。
　　進(jìn)行了連續(xù)段塞

6、流宏觀參數(shù)以及液塞區(qū)局部相界面參數(shù)分布的測量，宏觀參數(shù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)液塞速度的測量值與混合速度的關(guān)系和Theron的模型吻合很好，通過擬合得到了新的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)CO。通過對同一工況不同徑向位置處的液塞長度進(jìn)行測量，得到了大致的液塞尾部的形狀。對所有測量點(diǎn)處得到的液塞長度進(jìn)行了概率密度分布統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)可以由對數(shù)正態(tài)分布函數(shù)很好地?cái)M合。液塞區(qū)局部參數(shù)測量發(fā)現(xiàn)氣泡頻率和含氣率的徑向分布在管道中有一個(gè)峰值，這說明連續(xù)段塞流液塞頭部同樣存在著湍流剪切層。隨著

7、距液塞頭部軸向距離的增大，湍流剪切層的強(qiáng)度變?nèi)?，不同工況的截面平均含氣率近似以指數(shù)規(guī)律下降，在某一軸向位置處達(dá)到大致穩(wěn)定。隨著氣相折算速度的增加，同一軸向位置處截面平均含氣率增大，液塞區(qū)混合區(qū)域的長度也增大。對氣泡速度分布的測量發(fā)現(xiàn)隨著距液塞頭部軸向距離的增大，在管道底部區(qū)域氣泡速度逐漸增加，但增速變緩;在管道頂部區(qū)域氣泡速度逐漸減小，但減小的趨勢也變緩。最終在深入液塞一定距離處速度徑向分布曲線呈現(xiàn)中心峰值的近似拋物線分布，可以認(rèn)為液塞