石油气液两相管流 多相管流理论与计算

气液两相流量计原理
气液两相流量计是一种用于测量流体中同时存在气体和液体的仪器。

它利用了气液两相在流动过程中产生的不同特性，实现了对气液两相流量的精确测量。

气液两相流量计的原理基于两个主要的参数：液位和气液比。

液位是指液体表面距离流量计下游固定点的高度，而气液比则是指气体与液体的体积比。

这两个参数可以通过传感器测量和计算得出。

在气液两相流体中，气体的体积远远大于液体，因此气体的流动速度要明显快于液体。

当气液混合物通过流量计时，液体部分会沉积在流量计内的测量管壁上，形成液膜，而气体则会以气泡形式穿过液膜。

利用液位和气液比两个参数，气液两相流量计可以计算出相对应的气体和液体的体积流量。

通过准确测量液位的变化和掌握液体温度等参数，可以实现对气体和液体体积流量的准确测量。

气液两相流量计在化工、石油、环保等领域具有广泛的应用。

它可以用于油井、水处理设备、石油炼化装置、污水处理等流体系统的流量测量。

由于涉及到气液两相的复杂流动，气液两相流量计的设计和精确度要求相对较高。

总的来说，气液两相流量计利用液位和气液比两个参数，通过测量和计算实现了对气液两相流量的准确测量。

它在多个领域的应用中发挥着重要的作用，为工农业生产提供了可靠的流量测量手段。

第一章概论第一节引言多相流理论多相流体力学理论相相是体系中具有相同化学组成和物理性质的一部分，与体系的其它均匀部分由界面隔开多相流动体系两相或两相以上的流体一同参与流动的体系多相管流多相流体在管道中的流动Multiphase Flow多相流动两相或两相以上的流体一同参与的流动油水混合物：从相的角度区分为油相、水相从物质形态看同属液态相物质形态(气态、液态、固态)盐水：从相的角度划分只有液相从组分划分可分为：水和NaCl相组分(指混合物中的各个成分)原油？水-冰液固两相流水-水蒸汽气液两相流泥浆液固两相流油-气气液两相流油-气-水气液液三相流单工质（相同化学成分）多工质（不同化学成分）多相流体流动遵循的规律与单相流体并不相同，需引入新的理论来反映多相流体流动规律。

多相体系：水--冰、水—水蒸汽、泥浆、油气、油气水等多相体系的类型Ø热能工程：锅炉系统、制冷系统、热管Ø航天技术：平衡温差、保护设备Ø核工业：汽液两相流动Ø石油工业：两相渗流计算、井控设计、采油工艺设计、油气集输Ø化工行业：工艺设计Ø其它行业：水利、粉状物管线输送…………多相流应用领域油气是深埋于地下的混合流体矿藏，因此，油气藏的开发与开采离不开流体力学理论及其分枝——多相流理论。

举例来说，渗流理论、油气井压力控制、油气管流计算、举升参数设计、工况分析、集输设计等，都离不开多相流的理论与计算方法。

多相流理论是贯穿于石油开采全过程的基本理论一、多相流理论在石油工业中的地位和作用石油工程(油气井工程和油气田开发工程)以及油气储运工程都与多相流理论有着极为密切的联系。

钻井工程：油气井压力控制(含气泥浆的压降计算)采油工程：采油方式优化设计、采油设备的工况分析（油气混合物在井筒中流动的压降和温度计算）储运工程：油气集输管线的设计（油气混合物在管线中压降和温度的计算）许多工程设计都将计算多相流体在管道中流动的压降和温度。

油气两相流研究进展摘要：在石油工业的采输管线，油井和气井中经常会出现两相流动的情况。

在两相或多相管路中，混合物流动时，随着压力、流量、温度、油气比、管道几何形状及地形起伏等参数的变化，形成许多具有不同相分界面的流动结构形式，简称流型。

然而不同的多相流型具有不同的动力学和传热特性，因而研究流型对多相流的理论研究、参数测量及生产实际具有重要意义。

本文总结了两相流的研究进展在此基础上对两相流的研究趋势进行了概述。

关键词：输油两相流动流型动力学传热特性一、引言在石油工业的输油管线，油井和气井中经常会出现两相流动的情况。

在美国，有多数的管线是属于两相混输的管线。

在两相或多相管路中，混合物在管路中流动时，随着压力、流量、温度、油气比、管道几何形状及地形起伏等参数的变化，形成许多具有不同相分界面的流动结构形式，简称流型。

流型是描述气液两相流动体系的基本要素之一。

不同的多相流型具有不同的动力学和传热特性，因而流型的研究对多相流的理论研究与参数测量十分重要[1]。

正确判断流型对于气液两相流的研究和工程应用都有重要意义，它一直是两相流研究领域的重要方面。

近二十五年来，国内外对两相流动进行了广泛的研究，但是大部分都只是仅仅研究了水平或者铅直情况下的两相流的行为分析，也总结出了很多的计算模式和规律。

但是当这些规律应用到很多倾斜的管道中时明显是不成立的。

本文主要论述了两相流的国内外进展以及对两相流的研究进行了展望。

二、国内外研究现状早在1914年，wisconsin大学的Davis-weider在直径为31.75mm的短玻璃管内进行空气举升水的实验，他们把管内的摩擦因子与滑移关联起来试图得到DVP为自变量与单相摩擦因子一致的曲线，但是最终失败了，主要因为他们没有考虑混合流动的流型和总的流动密度。

2003年Hshi等人对于水平分层流动提出了水层水包油层，油包水层以及油层四层流动理论模型推动了两相流的理论的发展。

2004年Righetti 和Romano利用PDA技术获得了两相流在水平管中质的联系。

气液两相流数值模拟及应用气液两相流是指在某些现象或工艺中，气体和液体同时存在，相互作用，形成的复杂流动状态。

气液两相流在自然界和工业生产中都有广泛的应用，如气液动力学、船舶工程、石油化工、水力学、管道输送等。

数值模拟技术是研究气液两相流的有效方法之一，可通过数学模型描述气液两相流的运动规律，预测流体在各种复杂工况下的运动状态，为各个领域的工程问题提供了重要的参考和解决方法。

一、气液两相流的特点气液两相流的特点是复杂性和多变性。

气液两相流的物性参数（如密度、粘度等）随着相体积分数的变化而变化，在不同的压力、温度和流速下具有不同的特性，且颗粒大小和形状不同，流动形态和动态行为也各异。

正因为如此，对气液两相流的数值模拟需要考虑诸多的参数和影响因素，同时需要选择合适的数值模型、计算方法和数值算法。

二、数值模拟的方法数值模拟方法包括欧拉方法和拉格朗日方法。

欧拉方法适合于模拟流体的宏观运动，它将流场用网格剖分成小单元，并在每个单元上建立流体的宏观性质方程，求解这些方程，得到流场的解析结果。

欧拉方法适合于模拟气体简单的流动情况，但对于气液两相流就显得有些困难，因为在气液两相流中液滴和气泡的运动轨迹是不确定的，欧拉方法不能很好地描述它们碰撞和合并的过程，因此需要采用拉格朗日方法。

拉格朗日方法则选择一类代表性粒子（或液滴、气泡）的轨迹，并得到这些粒子的位置、速度和加速度等参数，再利用统计学方法推导出流场的宏观性质。

它的主要问题是计算代价较大，在大规模气液两相流模拟中会遇到实际的难点和困难。

三、应用实例气液两相流的应用实例主要集中在以下几个方面：1. 混合气气动特性的研究在飞行器、火箭等领域中，气液两相流的复杂性和多变性表现为物体的气动特性的变化，主要是由于流体的惯性和相互作用之间的复杂关系。

2. 溢流油井泄漏在石油生产过程中，由于机械故障或人为操作不当等原因，可能导致油井中的压力失控，引起油气、水等溢出，形成泄漏。

气液两相管流计算1基本要求.从能量平衡微分方程出发，与压降等经验关联式联立，得出了油气集输管线沿程温降的计算公式，并编制大型计算程序。

2 数学模型2.1 热力计算能量平衡方程假设两相之间没有温度滑移, 并不计油品的径向温度梯度，这样气液两相混合物沿管线的能量微分方程可写成:dx dv vg dxdH dx dq ++=θsin (1) q —垂直于管壁方向的热流量；H —混合物焓；v —混合物平均速度; θ—管轴线与水平面夹角；g —重力加速度。

由于混合物焓H 依赖于它自身的压力P 和温度T f , 这样dHdx 可下式来表示：dH dxH P dP dx H T dT dx C dPdx C dT dx Tf f P f J pm Pmf =+=-+()()∂∂∂∂μ (2)其中μJ 为焦耳-汤普森(Joule-Thompson)系数, 其物理意义是流体每单位压力变化引起的温度变化，C Pm 为混合物定压比热。

由(1)式和(2)式可得:dx dPdx dv v g dx dq C dx dP dxdH C dx dT JPm J pm fμθμ+--=+=)sin (11 (3) 式中单位长度热流量dqdx r k T T o f s =--2π() (4)负号表示散热，T s 为环境土壤温度， k 为传热系数。

将(4)式带入(3)式，整理得dT dx T T A Bf s f=-+ (5) 式中A C r k Pm o =2π ,B dP dx gC v C dv dx J Pm Pm =--μθsin 。

式(5)为一阶线性微分方程, 对应的边界条件为:在出油管口处，当 x =0时 T f =T f0解方程(5)可得温度分布:T T T k k C x k T f f s Pm s=---+-()exp()012212πππΦΦ (6)式中Φ=--C dP dx g vdvdx Pm J μθsin 式(6)中除传热系数k 和压降dP/dx 外，其余参数一般均为常数。

管道系统气液两相流动特性研究管道系统是化工和石油行业中的重要组成部分，而气液两相流动是管道系统中常见的流体状态。

对于管道系统中的气液两相流动特性的研究，不仅能够提高工业生产的效率和安全性，还有助于解决流体输送过程中的一系列问题。

本文将围绕管道系统气液两相流动特性进行探讨。

首先，我们来了解一下气液两相流动的基本概念。

气液两相流动是指在管道内同时存在气体和液体的混合流动状态。

在这种流动状态下，气体和液体之间存在着相互作用和交换，其流动特性与单相流动有很大的差别。

对于气液两相流动，既可以是气体为主导，液体悬浮在气体中的气泡流动，也可以是液体为主导，气体以气泡的形式分布在液体中的泡状流动。

不同的气液两相流动模式对管道系统的影响也是不同的。

在管道系统气液两相流动过程中，流体的流速、密度、黏度等性质对流动特性起着重要的影响。

一般来说，气体的流动速度较快，黏度较小，流动性较好，因此在气液两相流动中往往是以气体为主导的。

而液体的流动速度较慢，黏度较大，流动性较差，因此在气液两相流动中往往是以液体为主导的。

此外，由于气液两相流动中气泡的存在，还会引起流体的不稳定性和非均匀性，增加流动的阻力和压降。

在研究管道系统气液两相流动特性时，需要考虑的因素很多。

首先是流体的物性参数，比如气体的压力、温度、密度等，液体的表面张力、静压力、黏度等。

其次是管道的几何形状和尺寸，包括管道的直径、长度、弯头、分支等。

还需要考虑流体与管道壁的相互作用，比如摩擦、颗粒的堆积、结壳等。

此外，还需要考虑管道系统中的流体输入和输出，比如进口流体的速度、流量等以及出口流体的压力、流速等。

研究管道系统气液两相流动特性的方法有很多。

实验方法是最常见的一种方式，通过在实验装置中模拟气液两相流动的条件，观察和测量流体的参数变化，来研究气液两相流动的特性。

数值模拟方法是另一种常用的研究方法，通过建立数学模型和计算流体力学方法，模拟和计算气液两相流动的过程和特性。

气液两相管流计算1基本要求.从能量平衡微分方程出发，与压降等经验关联式联立，得出了油气集输管线沿程温降的计算公式，并编制大型计算程序。

2 数学模型2.1 热力计算能量平衡方程假设两相之间没有温度滑移, 并不计油品的径向温度梯度，这样气液两相混合物沿管线的能量微分方程可写成:dx dv vg dxdH dx dq ++=θsin (1) q —垂直于管壁方向的热流量；H —混合物焓；v —混合物平均速度; θ—管轴线与水平面夹角；g —重力加速度。

由于混合物焓H 依赖于它自身的压力P 和温度T f , 这样dHdx 可下式来表示： dH dxH P dP dx H T dT dx C dPdx C dT dx Tf f P f J pm Pmf =+=-+()()∂∂∂∂μ (2)其中μJ 为焦耳-汤普森(Joule-Thompson)系数, 其物理意义是流体每单位压力变化引起的温度变化，C Pm 为混合物定压比热。

由(1)式和(2)式可得:dx dPdx dv v g dx dq C dx dP dxdH C dx dT JPm J pm fμθμ+--=+=)sin (11 (3) 式中单位长度热流量dqdx r k T T o f s =--2π() (4)负号表示散热，T s 为环境土壤温度， k 为传热系数。

将(4)式带入(3)式，整理得dT dx T T A Bf s f=-+ (5) 式中A C r k Pm o =2π ,B dP dx gC v C dv dx J Pm Pm =--μθsin 。

式(5)为一阶线性微分方程, 对应的边界条件为:在出油管口处，当 x =0时 T f =T f0解方程(5)可得温度分布:T T T k k C x k T f f s Pm s=---+-()exp()012212πππΦΦ (6)式中Φ=--C dP dx g vdvdx Pm J μθsin 式(6)中除传热系数k 和压降dP/dx 外，其余参数一般均为常数。

气液两相流井口压力折算理论及应用气液两相管流是一门新学科，不仅涉及到天然气的物性计算、气液两相管流的流态变化、还涉及到井筒中的气液滑移及能量守恒方程等。

将井口压力较为准确地折算到井底，需要已知气体组份、井筒内温度分布、管道的粗糙度、气体与液体产量变化、液体的密度及不同液体的含量等多项参数。

以下我们将分别介绍相关的内容。

1 地层天然气的物性天然气是气态烃和一些杂质的混合物，天然气中常见的烃类组分是：甲烷(CH4)、乙烷(C H26)、丙烷(C H38)、丁烷(C H410)、戊烷(C H512)、少量的巳烷(C H614)、庚烷(C H716)、辛烷(C H818)以及一些更重的烃类气体。

天然气中的杂质有二氧化碳(CO2)、硫化氢(H S2)、氮(N2)、水蒸汽(H O2)等。

天然气的有关性质是与这些单组分的物理性质有关。

1、天然气的偏离因子(z)由分子物理学可知，理想气体的状态方程可以写成：(1-1)pv nRT式中p--- 气体压力，( Mpa )；v--- 气体体积，( m3 )；n--- 气体的摩尔量，( Kmol )；R--- 气体常数，[ Mpa.m3/(Kmol.K) ]；T--- 气体的温度，( K )；方程(1-1)是理想气体方程，它的适用范围是压力接近于大气压，温度位常温。

在大多数情况下，不能将方程(1-1)直接应用于油藏中的天然气，因为天然气是一种真实气体，并且地层中的天然气承受着高温高压。

为了也能使用方程(1-1)这种简单形式的状态方程，可以将天然气的状态方程写成下面形式pv znRT = (1-2)方程(1-2)中，z 是气体的偏差因子，也叫气体的偏离因子，它表示在某一温度和压力下，同一质量气体的真实体积与理想体积之比即：z v v a i =/ (1-3) 式中v a --- 真实气体的体积，( m 3 )； v i --- 理想气体的体积，( m 3 )； 方程（1-2）也可改写成：pv zmRT M =/ (1-4)式中m--- 气体的质量，( kg ) ; M--- 气体的分子量， ( kg/kmol ); 式（1-4）也可改写成密度形式：g m pM v zRT ρ==(1-5)式中ρg --- 为气体密度，( kg/m 3 )；有时，我们不知道天然气的组份，只知道天然气的相对密度γg 。

多相管流理论与计算《多相管流理论与计算》综合复习资料《多相管流理论与计算》综合复习资料⼀、判断题1、油⽔混合物在井筒中的流动是两相流动。

2、流型图直观地表⽰了各种流型在管道中流动的外观特征。

3、均相流动模型可较准确地计算泡状流的流动规律。

4、在其它条件相同的前提下，油井含⽔率越⾼，则井⼝产出液的温度越低。

5、⼀般情况下，在垂直多相管流的压⼒损失中重位损失所占的⽐重最⼤。

6、忽略滑脱时，⽓液混合物的体积含⽓率等于空隙率。

7、分相流动模型可较准确地计算环状流的流动规律。

8、丹斯—若斯⽅法和哈格多恩—布朗⽅法都是分流动型态计算的⽅法。

9、在计算环空⽓液流动时可采⽤当量直径来计算流速和摩擦系数。

10、天然⽓在井筒中的流动是单相流动。

11、在其它条件相同的前提下，油井产量越⾼，则井⼝产出液的温度越⾼。

12、在泡流条件下，加速度损失所占⽐重较⼩，可以忽略不计。

13、垂直井筒⽓液流动中，泡状流的滑脱损失⼤于段塞流。

⼆、选择题（可能有多个答案）1、⽔、⽔蒸⽓共同流动的体系是⼀个：（）A）单相流体系B）两相流体系C）单⼯质体系D）双⼯质体系2、油⽓混合物在垂直井筒中流动可能出现的流动型态是：（）A）泡状流B）弹状流C）段塞流D）环状流E）层状流F）雾状流3、垂直向上⽓液两相段塞流中，描述准确的是：（）A）⽓液滑脱速度v s>0 B）⽓液滑脱速度v s<0C）⽓液滑动⽐s>1 D）⽓液滑动⽐s<14、均相流动模型可准确地计算哪种流型的流动规律（）A）泡状流B）段塞流C）层状流D）环状流5、在垂直向上⽓液两相流动中，滑脱损失最⼩的流动型态是：（）A）泡状流B）雾状流C）段塞流D）环状流6、⽓液两相流的研究⽅法包括：（）A）经验⽅法B）半经验⽅法C）数值计算⽅法D）理论分析⽅法7、以下流型属于⽔平管道中油⽓混合物的流动型态的是：（）A）泡状流B）团状流C）段塞流D）环状流E）层状流F）雾状流8、在垂直向上⽓液两相流中，流体的真实密度ρ与流动密度ρ’的关系为（）A）ρ > ρ’B）ρ = ρ’C）ρ < ρ’9、分相流动模型可准确地计算哪种流型的流动规律（）A）泡状流B）段塞流C）层状流D）环状流10、洛克哈特—马蒂内利⽅法可通过计算哪些参数来确定压⼒梯度的？（）A）全液相折算系数B）全⽓相折算系数C）分液相折算系数D）分⽓相折算系数11、不属于垂直⽓液两相管流的流动型态是：（）A）泡状流B）雾状流C）波状流D）环状流12、⽓相折算速度的计算⽅法为：（）A）⽓相体积流量除以⽓相所占管道截⾯积B）⽓相体积流量除以整个管道截⾯积C）⽓相实际速度乘以空隙率D）⽓相实际速度除以空隙率13、多相流动的压⼒损失由哪⼏部分组成？（）A）重⼒损失B）摩擦损失C）滑脱损失D）加速度损失三、简答题1、与单相液流相⽐，⽓液两相管道流动的基本特征是什么？2、解释液相的实际速度与折算速度的概念。

气液两相流场的数值模拟与分析气液两相流是目前工业领域中非常常见的一种流动模式，特别是在石油、化工、生物、医药等领域，几乎都会遇到气液两相流。

气液两相流在工业生产中的应用非常广泛，但同时也会存在一些问题，比如管道堵塞、设备损坏、能耗增加等。

因此，对气液两相流的数值模拟与分析有着非常重要的意义。

一、气液两相流的数值模拟方法气液两相流场一般采用计算流体力学方法进行数值模拟，其中最常用的方法是欧拉-拉格朗日方法、欧拉-欧拉方法和欧拉-多相方法。

欧拉-拉格朗日方法（EL）是以分离相流为前提，将气相和液相视为两个单独的相，对气相和液相的流动状态单独求解。

该方法适用于高浓度的悬浮液。

该方法的优点在于其计算过程简单，且准确度较高。

欧拉-欧拉方法是将气液两相视为一体，即在同一时刻同一空间位置内同时解压气相和液相连续性方程和运动方程。

该方法适用于气液界面位置变化较大的情况。

但是，由于欧拉-欧拉方法1参数较多，复杂度较高，所以在实际应用中选择性较少。

欧拉-多相方法（Eulerian Multi-Fluid Method）是欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法的综合，是一种介于两者之间的方法。

在欧拉-多相方法中，对于气液两相的流动过程采用不同的方程组来描述并单独求解。

如果在模拟过程中需要考虑气液相互作用、气泡合并、气泡破裂等情况时，欧拉-多相方法则会是比较好的选择。

二、气液两相流场数值模拟的挑战和解决方案对气液两相流场进行数值模拟时，会遇到多种挑战，例如气液两相流相行为的非线性、气液相界面上的微观结构复杂等问题都需要考虑。

在现实过程中，气液两相流场的实际情况往往会比较复杂，具有不确定性和非线性等特点。

这给气液两相流场的数值模拟带来了很大的难度。

针对以上的问题，一些新的数值模拟方法也陆续出现。

例如流域耗散模型，可以克服水平分辨率不高时产生的分裂和合并等误差，以达到更高的计算精度。

除此之外，还有一些基于机器学习算法的气液两相流场模拟方法也逐渐发展起来。