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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。
《工程流体力学》综合复习资料一、 单项选择1、实际流体的最基本特征是流体具有 。
A 、粘滞性 B 、流动性 C 、可压缩性 D 、延展性2、 理想流体是一种 的流体。
A 、不考虑重量B 、 静止不运动C 、运动时没有摩擦力 3、作用在流体的力有两大类，一类是质量力，另一类是 。
A 、表面力 B 、万有引力 C 、分子引力D 、粘性力 4、静力学基本方程的表达式 。
A 、常数=pB 、 常数=+γpz C 、 常数=++g 2u γp z 2 5、若流体内某点静压强为at p 7.0=绝，则其 。
A 、 at p 3.0=表B 、Pa p 4108.93.0⨯⨯-=表 C 、O mH p 27=水真γ D 、mmHg p 7603.0⨯=汞真γ6、液体总是从 大处向这个量小处流动。
A 、位置水头 B 、压力 C 、机械能 D 、动能7、高为h 的敞口容器装满水，作用在侧面单位宽度平壁面上的静水总压力为 。
A 、2h γ B 、221h γ C 、22h γ D 、h γ 8、理想不可压缩流体在水平圆管中流动，在过流断面1和2截面()21d d >上流动参数关系为 。
A 、2121,p p V V >>B 、2121,p p V V <<C 、2121,p p V V <>D 、2121,p p V V >< A 、2121,p p V V >> B 、2121,p p V V << C 、2121,p p V V <> D 、2121,p p V V >< 9、并联管路的并联段的总水头损失等于 。
A 、各管的水头损失之和 B 、较长管的水头损失C 、各管的水头损失10、在相同条件下管嘴出流流量 于孔口出流流量，是因为 。
A 、小，增加了沿程阻力 B 、大，相当于增加了作用水头 C 、等，增加的作用水头和沿程阻力相互抵消 D 、大，没有收缩现象，增加了出流面积二、填空题1、空间连续性微分方程表达式 。
第三章 垂直气液两相管流压力梯度计算模型及方法垂直气液两相管流压力梯度计算模型及方法•3.13.1流动模型流动模型•3.23.2压力分布计算方法压力分布计算方法•3.33.3垂直气液两相管流压力梯度计算模型及垂直气液两相管流压力梯度计算模型及方法•3.43.4水平或倾斜管中气液两相流动计算模型水平或倾斜管中气液两相流动计算模型及方法•3.53.5水平管中气体和非牛顿液体的两相流动水平管中气体和非牛顿液体的两相流动主要内容第一节流动型态流动型态的划分方法：两类第一类划分方法：根据两相介质分布的外形划分泡状流、弹状流或团状流、（层状流、波状流）、段塞流或冲击流、环状流、雾状流第二类划分方法：按流动的数学模型或流体的分散程度划分分散流、间歇流、分离流分散流、间歇流、分离流2010-3-263垂直气液两相流流型水平气液两相流流型两种分类方法比较第一类划分方法较为直观第二类划分方法便于进行数学处理第一类划分方法•泡状流•弹状流或团状流•层状流•波状流•段塞流或冲击流•环状流•雾状流第二类划分方法•分散流•间歇流•分离流•分离流•间歇流•分离流•分散流两类划分结果的对应关系2010-3-264垂直环空两相流型第二节 压力分布计算方法第二节•由于多相管流中每相流体影响流动的物理参数（密度、粘度等）及混合物密度和流速都随压力和温度而变，沿程压力梯度并不是常数。
因此，多相管流压降需要分段计算，并要预先求得相应段的流体性质参数。
然而，这些参数又是压力和温度的函数，压力却又是计算中需要求得的未知数。
所以，多相管流通常采用迭代法进行计算。
一、常用两相流压降计算方法•早期均匀流方法（总摩阻系数法）1952 Poettmann 1952 Poettmann——Carpenter 80 80’’s 陈家琅 λ'~(N Re )2•经验相关式1963 Duns--Ros 无因次化处理 N vL 、Nvg 、N D 、N L 1965 Hagedorm--Brow 现场实验 1967 Orkiiszewski 流型组合 1973 Beggs--Brill 倾斜管实验1985 Mukherijee--Brill 改进实验条件•现代机理模型SPE20630等考虑具体流型的物理现象第二节第二节压力分布计算方法段塞流示意图环状流示意图2010-3-2682010-3-26当 单相液流， H L 、ρm 、f m 随两相流流型变化b P P ≥二、两相管流压降计算根据地面条件应用关系式计算井底流压1 输入数据油管数据：管长L 、管径D 、井斜角θ、粗糙度e 油气井产量：油气水日产量Q O 、Q SC 、Q W或Q L 、f w 、GOR P (GLR P ) QQ W = f w Q L Q O = Q L - Q wQ SC = GOR P Q O 或 Q SC = GLR P Q L 边界条件：井口压力P wh 、井口温度T wh 、地温梯度g t 考虑井温线性分布 T(Z)=T wh +g t Z 油气水相对密度γo 、γg、γw第二节第二节压力分布计算方法2 输入数据单位处理常用单位 统一单位Q —m 3/d q —m 3/s μ—Pa.s P —MPap —Pa V Pa V——m/s D —mm d mm d——m T m T——℃ T T——K 第二节第二节压力分布计算方法3 输入流体物性资料气：拟临界压力、温度 Pc ， Tc偏差系数 Zg(Pr, Tr)粘度μg油：μo ， 溶解油气比 Rs体积系数 Bo ， 油气界面张力σo水：μw ，σw ，B w第二节第二节压力分布计算方法),(223004hk p h z F k ++=第二节第二节压力分布计算方法龙格库塔数值解法•压力梯度函数F(Z，P)计算步骤(1) Z处流动温度 T(Z)=T0+g t Z(2) 计算T、P条件下的有关物性(3) 气液体积流量 q g，q L(4) 气液表观流速V sg、V sL和V m(5) 计算λL、μL、ρns、μns(6) 无因次量N Rens、N L、N gV、N LV、N gvsM(7) 计算H L、ρm(8) 判别流型，计算f m(9) 计算F(Z，P)•2、迭代计算第二节第二节压力分布计算方法误差又能提高计算速度。
多相流及其应用1.两相与多相流的定义与分类在物理学中物质有固、液、气和等离子四态或四相。
单相物质的流动称为单相流，两种混合均匀的气体或液体的流动也属于单相流。
同时存在两种及两种以上相态的物质混合体的流动就是两相或多相流。
在多相流动力学中，所谓的相不仅按物质的状态，而且按化学组成、尺寸和形状等来区分，即不同的化学组成、不同尺寸和不同形状的物质都可能归属不同的相。
在两相流研究中，把物质分为连续介质和离散介质。
气体和液体属于连续介质，也称连续相或流体相。
固体颗粒、液滴和气泡属于离散介质，也称分散相或颗粒相。
流体相和颗粒相组成的流动叫做两相流动。
自然界和工业过程中常见的两相及多相流主要有如下几种，其中以两相流最为普遍。
(1) 气液两相流气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。
它又可以分单组分工质如水—水蒸气的汽液两相流和双组分工质如空气—水气液两相流两类，前者汽、液两相都具有相同的化学成分，后者则是两相各具有不同的化学成分。
单组分的汽液两相流在流动时根据压力和温度的变化会发生相变。
双组分气液两相流则一般在流动中不会发生相变。
自然界中如下雨时的风雨交加，湖面和海面上带雾的上升气流、山区大气中的云遮雾罩。
生活中沸腾的水壶中的循环，啤酒及汽水等夹带着气泡从瓶中注人杯子的流动等都属于气液两相流。
现代工业设备中广泛应用着气液两相流与传热的原理和技术，如锅炉、核反应堆蒸汽发生器等汽化装置，石油、天然气的管道输送，大量传热传质与化学反应工程设备中的各种蒸发器、冷凝器、反应器、蒸馏塔、汽提塔，各式气液混合器、气液分离器和热交换器等，都广泛存在气液两相流与传热现象。
(2) 气固两相流气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。
空气中夹带灰粒与尘土、沙漠风沙、飞雪、冰雹，在动力、能源、冶金、建材、粮食加工和化工工业中广泛应用的气力输送、气流千燥、煤粉燃烧、石油的催化裂化、矿物的流态化焙烧、气力浮选、流态化等过程或技术，都是气固两相流的具体实例。
《多相管流理论与计算》综合复习资料一、判断题1~5：√×√×√ 6~10：√√××√ 11~13：√√√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：（BC）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：（ABCDF）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：（AC）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）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：（B）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：（ABD）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：（ABCDEF）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）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（CD）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？（CD）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：（ BC ）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：（ABD ）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？（ B ）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？ 答：气液两相流动的基本特征是：(1）体系中存在相界面，相间出现质量和能量的交换时伴随着机械能的损失。
（2）两相的分布情况多种多样。
（3）两相流动中存在滑脱现象。
（4）沿程流体体积流量有很大变化，质量流量不变。
2、 解释液相的实际速度与折算速度的概念。
答：液相的实际速度为液相体积流量与液相实际过流断面面积的比值；液相的折算速度为液相体积流量与管道断面面积的比值。
3、 影响气液两相流流型的主要因素有哪些？答：两相流的流型不仅与各相介质的体积比例有关，而且还与介质的流速、各相的物理及化学性质（密度、粘度、界面张力等）和流道的几何形状、壁面特性以及管道的安装方式等有关。
4、 写出多相流动总压力梯度的表达式，并分别解释各项、各变量的含义答：dh dv v d v g dh dp m mm m m m ρλρρ++=⎪⎭⎫⎝⎛22其中右侧第一项为重力梯度或举高梯度，第二项为摩阻梯度，第三项为加速度梯度。
p 为压力，h 为高度，ρm 为混合物真实密度，g 为重力加速度，λ为摩擦系数，v m 为混合物速度。
5、 与均相模型和分相模型相比，漂移模型有何优越性，其作用是什么？答：漂移模型既考虑了气液两相间的滑脱，又考虑了空隙率和流速沿过流断面的分布，因而较为准确。
其作用是利用体积含气率计算真实含气率或计算气相实际速度。
6、 怎样计算垂直同心环空气液两相流动的相量直径和相量粗糙度？ 答：对于一外管内径为D o ，粗糙度为k o ；内管外径为D i ，粗糙度为k i 的环管，相量直径为：i o e D D D -=； 相量粗糙度为：⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎪⎭⎫⎝⎛+=i o i i i o oo e DD D k D D D k k 。
7、 解释气液两相流动的经验方法答：经验方法是从气液两相流动的物理概念出发，或者使用因次分析法，或者根据流动的基本微分方程式，得到反映某一特定的两相流动过程的一些无因次参数，然后依据实验数据整理出描述这一流动过程的经验关系式。
8、 解释气相的实际速度与折算速度的概念。
答：气相的实际速度为气相体积流量与气相实际过流断面面积的比值；气相的折算速度为气相体积流量与管道断面面积的比值 9、 研究气液两相流流型分类和过渡条件的意义是什么？答：气液两相流动中，流型不同，不但会影响两相流的流动特性和传热传质性能，而且会影响对两相流参数的准确测量。
因此，两相流流型是两相流的一个重要的研究方面。
10、 解释摩擦阻力分液相折算系数的概念及其作用。
答：设气液两相流动为均匀流动，管径为D ，流段长度为dz ，流速v 沿程不变，质量流量为G ，此时流体与管道的摩擦阻力为dF 。
若管道的D ，dz 保持不变，但通过管道的流体为单相液体，其质量流量等于两相流动中液相的质量流量，此时流体与管道的摩擦阻力为dFol ，分液相折算系数为dF 与dFol 的比值。
引入该系数的作用是将两相流摩擦压降的计算与单相流摩擦压降的计算关联起来，从而将两相流摩擦压降的求解转化为求折算系数的问题。
11、 气液两相流体力学中，常用的两相流动模型有哪些？答：常用的两相流动模型有流动型态模型、均相流动模型、分相流动模型和漂移流动模型等。
12、 怎样将油气水混合物的三相流动简化为气液两相流动？答：在处理油气水的三相流动时，可将油水混合物按照体积含水加权平均合成一具有平均物理性质的液相，然后将三相流动转化为气液两相流动处理，该方法忽略了油水两相之间的滑脱，导致计算结果偏小。
13、 5、多相流计算中为什么要首先计算油、气、水等油藏流体的高压物性？答：油藏流体的高压物性将影响多相流体的流动特性；另外，油藏流体的物理性质是压力和温度的敏感函数，必须首先计算出物理性质才能计算出流体的体积流量，进而计算流体的压力梯度。
14、 安萨瑞方法和丹斯—若斯方法流型图的建立依据有何不同？答：安萨瑞方法是机理模型的代表，它的流型图是根据严格推导得到的流型判别式计算而得到的；阿济兹—戈威尔—福格拉锡方法是经验性模型的代表，它的流型图完全是根究实验结果绘制的。
四、问答题1、 什么是质量含气率和体积含气率？试推导出两者相互间的关系式。
答：质量含气率：单位时间内流过过流断面的混合物总质量G 中气相质量所占的份额。
g l g g G G G G G x +==体积含气率：单位时间流过过流断面两相流体（混合物）总体积Q 中气相所占的份额。
lg gg Q Q Q QQ +==β两者间的关系： ()lggl gl x x xx ρρρρρρβ-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=111或()x g l gl l g =++⎛⎝ ⎫⎭⎪=+-ρρβρρβββρρ1112、 气液两相流体力学中，常用的两相流动模型有哪些？而在实际的研究过程中，如何选择适合的研究模型。
答：常用的两相流动模型有流动型态模型、均相流动模型、分相流动模型和漂移流动模型等。
在实际研究过程中，不仅要根据所研究的问题选择合适的研究模型，而且常常将前面介绍的各种模型有机地结合起来使用，以收到事半功倍之效。
3、 比较洛克哈特－马蒂内利方法和贝克方法的区别与联系。
答：区别：（1） 洛克哈特－马蒂内利方法属于分流态计算的方法，贝克方法属于分流型计算的方法。
（2） 洛克哈特－马蒂内利方法适用于小管径、小流量的条件，贝克方法适用于大管径、大流量的条件。
联系：（1） 洛克哈特－马蒂内利方法和贝克方法都使用了摩擦阻力的分气相折算系数方法。
（2） 贝克方法在计算雾流的压降时采用了洛克哈特－马蒂内利方法中气液两相都是紊流的计算方法。
4、 气液两相流中，流动密度和真实密度相等的条件是什么，并证明之？答：流动密度ρ’的计算方法为l g ρββρρ)1(-+='，真实密度的计算方法为l g ρφφρρ)1(-+=，两者相等的就要求体积含气率β等于截面含气率φ，这就要求滑脱速度为零，即两相实速度相等。
gll g g ll g g g g lg g v vA A A A v A v A v Q Q Q +=+=+=β若g l v v =，则：φβ=+=+=lg g lg g A A A Q Q Q ，流动密度就等于真实密度。
5、 已知某不饱和油藏单井生产时，地面油产量Q o ，生产气油比R p ，不含水，井口温度和压力分别为T 0和p 0，写出井筒中某点（温度和压力分别为T 和p ）油相和气相实际体积流量的计算步骤。
答：（1） 计算温度和压力为T 和p 条件下的气体压缩因子Z 和原油体积系数B o 。
（2） 计算温度和压力为T 和P 条件下的溶解油气比Rs 。
（3） 该条件下原油的体积流量为Q o ×B o 。
（4） 该条件下气体的体积流量为)(00Rs Rp Q pT TZp o -⨯⨯ 6、 气液两相倾斜管流中，持液率与倾角有怎样的依存关系？原因是什么? 答：气液两相倾斜管流中，持液率随倾角的变化如图所示。
持液率的最大值出现在＋50°附近，最小值出现在－50°附近。
这一现象可以用重力和粘度对液相的影响来说明。
在上坡流动中，当管子倾角沿正方向增加时，重力使液体的流速减小，增加了滑脱和持液率。
随角度的进一步增加，液体在管道中搭接起来，减少了两相间的滑脱，因而减少了持液率。
在下坡流动中，当角度沿负方向增加时，重力使得液体流速增大，减少了持液率。
当角度沿负方向进一步增加，有更多的液体与管表面接触，粘性的拖曳使得液体的流速减少，持液率增加。
五、论述题1、论述井筒压力分布计算过程产生误差的原因及减小误差的方法。
答：建议从以下几个方面进行论述：（1） 流体物性参数的计算精度；（2） 温度场计算的精度；（3） 压力梯度计算方法本身精度；（4） 迭代计算方法不可避免的误差。
