水平管内气液两相螺旋流压降规律实验研究

第13卷第3期2013年1月1671—1815（2013）03-0659-05科学技术与工程ScienceTechnologyandEngineeringVol.13No.3Jan．20132013Sci.Tech.Engrg.

水平管内气液两相螺旋流压降规律实验研究

王树立饶永超魏鸣姣张琳马维俊

（常州大学江苏省油气储运技术重点实验室，常州213016）

摘要在气液两相流实验装置上进行了流型和压降的实验。以空气和水为实验介质，对水平管内气液两相螺旋流的流型

进行了研究。依次得到螺旋波状分层流、螺旋泡状流、螺旋弥散流三种典型的流型图像。并分析了流型、体积含气率、气液折

算流速以及叶轮起旋参数等因素对气液两相螺旋流压降的影响。最后实验表明，流型是影响压降规律的主要因素，其他因素

对压降的影响亦有影响。螺旋弥散流是压降梯度最小的流型。以上结果对今后相关的研究以及工程实际应用具有重要的指

导意义。

关键词气液两相螺旋流流型压降

中图法分类号O359.1；文献标志码B

2012年9月6日收到，10月10日修改国家自然科学基金（51176015）和江苏省研究生培养创新工程（CXZZ11_0377）资助

第一作者简介：王树立（1957—），男，辽宁抚顺人，博士，教授。研究

方向：石油天然气管道输送。E-mail：wsl1957@yahoo．cn。气液两相螺旋流是指气、液两种流体在轴向运

动的同时叠加了切向（或称周向）速度而形成的旋

转运动。在动力、化工、石油及核工业等领域得到

广泛应用，两相流动流型的准确预测以及压降特性

等研究对于相关领域的发展以及存在两相流动的

工业设备的设计和运行均十分重要［1—3］。

Nissan和Bresan［4］（1961）最早研究了管内螺旋

流流场。他们发现流场中心压力总是最低，向壁面

或多或少增加，沿下游压力降低。离中心不到一半

半径的地方切向速度达到最大，断面平均环量沿下

游衰减。当Re＜5000时无回流，较高时有回流。

在某些情况下，甚至出现在中心轴及壁面处的流体

向前，而在两者之间返回的双回流现象。Weske和

Sturov［5］（1974）发现随着向下游的推移，周向速度

的峰值逐渐衰减且向轴线偏移。而轴向速度在低

和高旋流场中有很大不同，前者呈轴线处单峰型，

而后者呈轴线两侧双峰型。K.Wongcharee［6］等研

究了雷诺数范围是830—1990的含有不同旋转方向

纽带情况下的圆管内螺旋流流动特性。研究结果表明，含有不同旋转方向纽带的螺旋流和只有一种

旋转方向的螺旋流相比，其对雷诺数、摩擦因子和

热力学性能等影响程度更大。A.E.Zohir［7］等研究

了膨胀管内含有螺旋桨式起旋器情况下气流的流

动压降特性。研究发现，起旋器的安装位置对流动

形态影响很大，并且含有起旋器情况下流动压降是

光管的1.5倍。

综上所述，气液两相流和螺旋流的流型以及压

降等方面被广泛研究，但有关水平管内的气液两相

螺旋流的流型以及压降等方面的研究鲜有研究报

道。现对水平管气液两相螺旋流的主要流型和压

降规律进行了相关的实验研究，对促进工程实际相

关方面的发展具有重要的意义。

1实验系统

实验系统如图1所示，实验管段采用Φ23×

2000mm的有机玻璃圆管，图像记录采用索尼

HDR-XR550E高清硬盘摄像机，在透明管外侧补加

一个由透明玻璃制成的方形盒，内充蒸馏水，以减

少折射现象。在透明管的前端设置一个活接头，便

于管路拆装，螺旋流发生装置固定地卡放在活接头

内。螺旋流发生装置为叶轮，见图2。本次实验所

用水泵为单相潜水泵，所用空压机为PUMA活

塞式，气液两相的流量计均为玻璃转子流量计，所用

图1空气—水两相螺旋流实验系统图

测压计为U型管测压装置。实验介质为空气

和水。实验过程中含气率从10%到90%。气相折

算速度（VG）范围为（0～3.4）m/s，液相折算速度

（VL）范围为（0～2.7）m/s。实验在常温下进行。9

种螺旋叶轮，如图2所示。螺旋叶轮的参数包括叶

片面积和叶轮起旋角。叶轮起旋角以单个叶片与

叶轮平面的夹角，即叶轮上两叶片夹角的一半来表

示，分别为7.5°、15°、22.5°；叶片面积以单个叶片占

整个叶轮面积的百分数来表示，分别为33.3%、

27.8%和22.2%，如表1所示。

图2九种螺旋叶轮

表1各叶轮的叶片面积及起旋角度

叶片面积/%叶轮起旋角/（°）7.51522.533.31#2#3#27.84#5#6#22.27#8#9#2气液两相螺旋流流型

水平管内气液两相螺旋流的流动十分复杂，由

于重力和叶轮所形成的离心力的联合作用，使得气

液两相螺旋流流型随着叶轮的几何参数、进气量、

进液量的改变，以及介质流过管道长度的变化而出

现明显的流型转变趋势。现把以叶轮为起旋方式

的实验中出现的流型划分为典型的螺旋波状分层

流、螺旋泡状流、螺旋弥散流三种。通过以上实验

现象总结表明：当液体流量不变，气体流量由小增

至最大时，流型个数是由少变多再变少，直至最后

只有一种螺旋弥散流以较高速度向前流动。与文

献［8］相比，泡状流、层状流和波状流均有出现，在

实验过程中并没有弹状流和塞状流，取而代之的则

是线状流、轴状流和弥散流。这是气液两相螺旋流

特有的流型。

图3气液两相螺旋流流型图066科学技术与工程13卷3压降规律研究

3.1含气率对压降的影响

由于气液两相螺旋流的流动能够呈现出不同

的流型，在不同流型下，管流摩擦阻力产生的机理

不同，进而造成不同的流型之间的压降梯度值相差

很大，因此，着重讨论3种不同流型下气液两相螺旋

流流动的压降规律。

图4含气率对压降的影响

由图4得出，随着体积含气率的提高，同一流型

状态下，压降逐渐增大。但由曲线的变化规律还可

以得出，存在一个临界的体积含气率，处于0.45—

0.50之间。超过临界体积含气率时的压降梯度大

于较小的临界含气率的压降梯度。

含气率也是影响气液两相螺旋流流动压降的

一个重要因素。含气率越大，则流动过程中气相所

占的比例越高，气相对整体流动的扰动程度越强。

同一流型状态下，体积含气率越高，压降越大，即是

气相扰动程度增强的表现。而气相对整体流动的

扰动强度有一个分界点，即含气率处于0.45—0.50

之间，小于临界含气率时，随着含气率的提高，压降

缓慢增加；超过临界含气率以后，压降梯度逐渐变

大。由于流动压降主要受到壁面摩擦和两相间摩

擦以及气液扰动的影响，当含气率超过临界含气率

之后，气相扰动程度进一步加强，随即促使壁面摩

擦和两相间的摩擦进一步增强，因此压降梯度增大。

3.2流型对压降的影响

由图4同样可以得出，流型对压降存在显著的影响。在体积含气率不变的情况下，流动压降以螺

旋弥散流—螺旋泡状流—螺旋波状分层流的顺序

逐渐增加。螺旋弥散流流动压降最低，变化范围是

3.8kPa—6.4kPa，总体来说处于最低的水平，在实

际工程中，保证此流型的存在可以大大降低沿程的

压降损失。螺旋波状分层流流动压降最高，最高达

14kPa。总的说来，随着体积含气率的提高，同一流

型状态下，压降逐渐增大。由曲线的变化规律还可

以得出，存在一个临界的体积含气率，处于0.45—

0.50之间。超过临界体积含气率时的压降梯度大

于低于临界含气率的压降梯度。

螺旋波状分层流往往发生在液相折算速度很

低，而气相折算速度较高的流动工况，由于两相存

在密度差以及螺旋离心力的作用形成气相在管道

的上部、液相在管道的下部分别螺旋流动，两相界

面为波浪形曲面，而波浪形曲面的存在使压降增

大。螺旋泡状流发生在气相折算速度很低，而且液

相折算速度远大于气相折算速度的流动工况，其特

点是气相以较小的气泡形式、较大的螺旋幅度绕圆

管轴心向前运动，气泡排列整齐，像一条线穿起来

做螺旋状摆动的珠子。小气泡在液相中有规律的

运动，对液相的扰动较小，气液两相相对平稳地向

前运动，压降不大。螺旋弥散流发生在气、液折算

速度均较大的流动工况，其特点是气体以较高的速

度夹带着液滴在管道中心部分流动，液体形成液膜

沿管壁螺旋向前流动，当气体流速加快时，气液两

相呈现弥散状态，此流型可以视作单相流动，两相

之间的摩擦降低，此时的压降最低，而这对实际工

程的应用具有重要的意义。

3.3流速对压降的影响

以液相折算流速为横坐标，以流型参数为纵坐

标，绘制出不同气相折算流速下液相折算流速对流

型参数影响的图形，如图5所示。由图5分析，可以

得出以下结论。

3.3.1随着液相流速的提高，管内两相流动的损失

逐渐变大

影响水平管内气液两相流摩擦阻力压降特性

的因素十分复杂，各因素之间又相互作用、相互关

联，不过最主要的因素是含液率和混合流速。从图1663期王树立，等：水平管内气液两相螺旋流压降规律实验研究

图5液相流速对流型参数的影响

5（a）可以看出，随着含液率的提高，液相流速逐渐

增大，液相与管径内壁以及液相和气相之间的摩擦

逐渐增强，进而使流动损失逐渐增大。

3.3.2随着液相流速的提高，流型的衰减程度变弱

流型的衰减程度和流型持续的距离密切相关，

并且是成正比例的关系，一种流型持续的距离越长

也就说明衰减程度较弱，流型保持得比较好。如图

5（b）所示，随着含液率的提高，液相流速逐渐增大，

流型的衰减程度变弱。

3.4叶轮参数对压降的影响

3.4.1叶轮起旋角的影响

图6描绘了不同叶轮起旋角度对流动压降规律

的影响。4#，5#以及6#三种叶轮叶轮面积相同，叶

轮起旋角度逐渐变大，由图线可知，随着起旋角度

的增大，压降逐渐变大。随着气相折算流速的提

高，压降有逐渐增大的趋势。一般情况下，在气液

两相流体流动时，构成管路总压力降有4种分压力降，即：摩擦阻力压力降、局部阻力压力降、重位压

力降和加速压力降。实验中的实验对象是水平管

内气液两相螺旋流，无重位压力降和局部阻力压力

降，因此主要考虑另外两种压力降。对于摩擦阻力

压力降，其主要的影响因素有：压力、干度、直径、质

量流速、流动方向和管壁粗糙度。起旋角的变化主

要影响流动方向，当起旋角变大时，气液两相在通

过叶轮后会有较大的切向速度，从而会增加对管壁

的摩擦，而使压降增大。对于加速压力降，螺旋泡

状流和螺旋弥散流时一般可以忽略，当出现螺旋线

状流时，叶轮角度的增大使气液两相之间的滑移程

度提高，从而使加速压力降增大。综上所述，当叶

轮起旋角增大时，气液两相螺旋流的流动压降增大。

图6不同起旋角-压降关系图

3.4.2叶片面积的影响

图7描绘了不同叶轮的叶片面积对流动压降规

律的影响。2#，5#以及8#三种叶轮的叶轮角度相

同，叶轮的叶片面积逐渐减小，由图线可知，随着叶

片面积的减小，压降呈降低的趋势。并且随着气相

折算流速的增大，压降先减小后逐渐增大。如前面

分析相同，只考虑摩擦阻力压力降和加速压力降。

对于摩擦阻力压力降，其主要的影响因素有：压力、

干度、直径、质量流速、流动方向和管壁粗糙度。当

叶片面积逐渐减小时，相当于气液两相过流面积增

大，使气液两相更易穿过叶轮进入管段，并且螺旋

的强度有所减弱，从而会降低对管壁的摩擦，而使

压降减小。对于加速压力降，螺旋泡状流和螺旋弥

散流同样忽略，当出现螺旋线状流时，叶片面积的

减小，使其对气液两相的干扰程度降低，两相之间266科学技术与工程13卷