水平管内油–水两相流型转变的预测外文翻译资料

水平管内油–水两相流型转变的预测

作者：Carlos F. Torres

热科学系，洛杉矶大学，

作者：Ram S. Mohan

机械工程系，塔尔萨大学

作者：Luis E. Gomez

微星国际有限公司

作者：Ovadia Shoham

麦克杜格尔石油工程学院，塔尔萨大学

摘要：本文提出了水流中油水流动的流动模式转变预测模型，这个分层和非分层流之间的过渡是使用开尔文 - 亥姆霍兹（KH）对长波的稳定性分析，新的，简化的和更实际的物理机制/机械模型被提出用于预测过渡边界到半分散和完全分散流，所提出的流动模式分类显着简化了液-液两相流的流动模式图并与实验数据相符。 [DOI: 10.1115/1.4031608]

关键词：油水，机械模型，流动模式，过渡机制

介绍

两种互不相溶的液体流通常发生在石油工业，原油和水是在源泉也就是油井中产生的，在管道中运输，在工艺设施中分离。因此，有必要了解与这种液-液两相流的流动行为相关的现象。

气-液两相流与液-液两相流之间的流动特性差异主要是由于液体流动中产生的动量传递能力较大，浮力小。液- 液两相流中的密度比在0.7times;10³和1.1times;10³之间，相比之下，远高于气液的密度比。同样的，液-液两相流的粘度比在0.3和10⁴之间，也高于气-液两相流，量级在10²。该粘度比差的不同是由于液-液两相流中的阻力的滑移速度与气液两相流中的速度不同。最后，与气-液两相流相比，液-液两相流中的界面现象更为复杂。这是由于在液-液两相流中不同表面张力，润湿性，反转点和表面活性剂作用引起更显着的相互作用。

当两种液体的混合物在管道中同时流动时，两相可以分布在各种流体结构或流动模式中。流动模式在界面的空间分布中彼此不同，导致不同的流量特性，例如速度，滞留压力以及压力梯度。给定系统中现有的流动模式取决于操作变量（相流流量），几何变量（管道直径和倾角）和流体物理性质（密度，粘度和表面张力）。

研究液-液两相流中流动模式之间不同过渡边界的目的是由于每个流域模式具有独特的流体动力学流量特征。本文研究的目的是开发模型和用于预测水平和近水平管道中的油水流动模式过渡边界简单的表达式。开发模型的预测将与大量数据集进行比较。

油水流动模式分类。过去的研究已经利用大量的流体的油水流动模式测试实验。因此，过去已经对流动模式和过渡边界发表了不同的定义和分类。Trallero [1]油水流动模式分类，灵感来自于古佐夫以前的作品 [2]和Neuro;adler和Mewes [3]这导致了一组六种流动模式，如图1所示，定义如下：

流化流（ST）：在这种流动模式下，两种液体相位在底部较重（通常为水），顶部为较轻（通常为油）的层。在界面可观察到一些波纹。

界面混合流动（ST＆MI）：在这种流动模式下，系统倾向于分层，但由于速度相对较高，与界面流动相比，界面不稳定性在界面产生混合区。混合区可以是重要的，但在管的顶部和底部存在纯的液体。

油与水分散在水中（DO/W＆W）：水是连续相，分布在整个管道横截面上。一层清洁的水流入底部，分散的油滴在水面上方。

双色散（DO/W＆W/O）：在此流程图中，出现两个不同的层。两相存在于整个管横截面积。然而，在顶部，连续相是含有水滴的油，而在管的底部，连续相是含有分散油滴的水。

油分散在水中（DO/W）：在这种情况下，连续相是在整个管横截面积处发生分散油滴的水。

水分散在油中（DW/O）：油是连续相，水以分散在整个管横截面积的液滴的形式存在。

在这项研究中，提出了一种新的，简化的和更实际的流动模式分类，其中包括四个流动模式和三个过渡边界。考虑的过渡边界和流动模式如下：

与非流动流相结合：由于分层流动结构的不稳定性，这种转变发生。在这个过渡边界之下，流域模式是分层流（ST），而在其上方，流体在界面处混合（ST＆MI）。

过渡到半分散流：这个过渡边界将两个半分散流体的界面（ST＆MI）流动模式混合在一起，即（1）油与水分散在水中（DO/W＆W）和（2）双色散（DO/W＆W/O）。当流动湍流足够高时，会发生转变：（1）在管道顶部将油层破裂成球形稳定的液滴，底部的主要水相作为一层; 和（2）防止两相中的液滴聚结，从而发生双重分散。

过渡到完全分散的流动：这种在高湍流条件下发生的转变将半分散流与完全分散的流体分开。完全分散的流体包括油分散在水中（DO/W）和水分散在油中（DW/O）。

文献评论

关于管道油水流量的大量文献综述已发表[1,4-11]。在本节中，只有对油水流量模式进行了回顾的相关研究。

流动模式 - 实验研究。关于水平油水流量模式的相关公布数据的总结所提供的数据来自1995年以来进行的研究。这是由于今年以来流行模式检测仪器的进步。大多数早期关于液-液两相流模式的研究是通过目视观察[2,12-15]进行的，这是主观的，导致研究人员之间的分歧。

在表1中，第一列提供了出版物的细节而第3-8栏提供了液体使用和这些液体的物理性质。入口处的无量纲长度在第11列中给出了流量观测点，其变化从到。是确保充分发展的流体条件的关键参数，另一个关键参数是入口装置。一些研究使用了诸如此类的设备锥体或特殊的“Y”，以促进流动的分层并避免混合。另一方面，其他研究促进了混合入口使用静态混合器。表2对于表1中提供的相同研究提供了额外的信息 ，包括流量模式分类，检测方法，倾斜角度，混合速度（）和水分（）。

建模研究。只有少数关于油水流动模式转换建模的研究已经发表。 在这些研究中，用于预测油水流动模式转换的两种主要方法是：（1）非分层过渡的线性稳定性分析，（2）向分散流过渡的湍流分散机理。

分层演化过程。主要对气液两相流动进行了分层和非二相流动之间的转换，仅对液-液两相流进行了少量研究。大多数已发表的研究已经使用稳定性分析来分析这种转变。下面仅对液-液两相流研究进行回顾。

Brauner和Moalem [25]对分层流动下的两种不混溶液体进行了线性稳定性分析，以及双曲线方程组的拟合分析。 基于分析，制定了两个标准来预测和分解为非流动过渡边界：（1）所谓的零中立稳定性标准; 和（2）零实数特征标准。

类似的标准可以通过经典的一维二相流动界面的KH线性稳定性分析获得，如参考文献中所述[26-28]。已经使用了两种类型的KH分析：（1）粘性开尔文-亥姆霍兹（VKH）分析，其使用全流体模型，考虑剪切应力; 和（2）不粘的开尔文-赫尔姆霍兹（IKH）理论，其中剪切应力被忽略。Trallero[1]用这两种类型的线性稳定性分析（即VKH和IKH）检验了油水界面的稳定性，并且包括了明确考虑界面波效应的遮蔽系数。最近，Al-Wahaibi和Angeli [29]开发了基于开尔文-亥姆霍兹（KH）稳定性分析的相关性，识别波浪不稳定的临界波幅。

过渡到分散流。在大多数已发表的研究中，基于湍流分散力与表面张力和浮力之间的平衡，已经进行了对液体和液-液两相流的分散流动的过渡边界的预测。对于水平和略微倾斜的气液管道流，Taitel和Dukler [30]通过将湍流断裂力（倾向于分散气相）与浮力（通过将气体保持在一起）来模拟过渡边界到分散气泡管道的顶部）。对于垂直和垂直气液流动，Barnea et al。[31-33]表明，当液相中的湍流强度足够高时，向分散气泡流过渡的机理就是：（1）克服表面张力，抵抗液滴的变形和分解[34，35]; 和（2）将气相分散成小而稳定的球形气泡[36]。Chen et al。 [37]意识到以前的研究仅适用于稀释系统，并试图将其扩展到密集流。他们提出了基于液体湍流动能与气泡表面能之间平衡的向分散气泡流过渡的标准。参考文献中提出了用于预测液-液两相流中分散流动过渡边界的模型。[25,38,39]。

模型开发。开发的模型能够预测过渡边界从分层流动到非流动流动，过渡到半分散流动，并转变到完全分散的流动，这将在下面介绍。

分层到演化过程。KH线性稳定性分析是分析液体或液体-液体层流动的分层系统最常用的方法。这是通过在接口上引入扰动并表征所产生的波浪增长来实现的，以便验证接口的稳定性。拟议的过渡边界与Trallero相似[1]。

KH稳定性分析应用于双流体模型（由一组双曲线方程组成），如图2所示。假设不可压缩流量，油相和水相之间没有质量传递，在垂直方向上纯静水压力分布，水和油的连续性和动量方程分别为：

连续性方程 ：

动量方程：

下标O，W和I分别表示油，水和界面，水和油总面积A和周长S取决于水位h_W，为dA_W/dh_W。区域和周长的几何表达式可以在参考文献中找到。[29,30]。注意，当油移动比水快时，界面剪切应力对于水相为正，油相为负。相反的情况发生在水比油运动更快的时候。Ramshaw和Trapp [26]提出，对于长波，界面压差的表达式为:

分割方程 （3）和（4）分别由A_w和A_O减去它们并代入式（5）转化为所得到的组合动量方程:

(6)

(7)

通过在水位h_W的稳态解决方案周围引入小的扰动，线性化等式（1），（2），（6）和（7）:

（8）

其中k是波数，x是角频率。 代入方程 （8）转化为线性化的组合动量方程，并且使用线性化的连续性方程对于水和油，得到系统的最终色散方程，如

（9）

等式（9）可以求解x，产生

（10）

各字母含义

每当方程式的x的虚部时，稳态解是不稳定的。10），即（其为放大因子）为负，导致扰动的指数生长。中性稳定性的条件可以从等式（9）通过引入并设置，产生

（17）

将C_V定义为

（18）

并用等式 （12）和（13）等式 （17）结果

（19）

（20）

请注意，方程式（20）分别对应于等式（19）。 第一项考虑到粘性影响，这倾向于放大界面处的任何扰动。 第二个和第三个术语分别是伯努利和重力效应。 第四项是由于表面张力的贡献，因此它是唯一依赖于波长的术语。对于长波，这个术语可以忽略不计，并不影响稳定性标准。方程（20）是流量系统稳定性的VKH准则。IKH分析的色散方程可以通过下列方程式获得：（20），其代表粘性力，导致

剪切应力如下评估：

湍流系数C_W和C_O等于0.046，层流为16，n和m的系数取湍流为0.2，层流为1.0。 Brauner和Moalem [38]认为流量为Re lt;1500的层流。他们还提出,对于相的液压直径，界面摩擦系数和相应的界面流体密度，使用以下表达式:

VKH稳定性分析代表了用于预测气液系统中从分层流向非分层流的过渡的简单伯努利准则的扩展。通过包括剪切力的作用来实现延伸。为了获得使用VKH稳定性分析的油水系统从分层流到非分层流的过渡，组合动量方程式（6）和稳定性标准同时求解，以确定满足两个方程组成的过渡边界的表层油水速度方程。

转移到分散流。在分层区域之外，油和水可以以不同的方式分散。在水表面流速高的表面速度下，水是连续相，油是分散相（即D O / W）。另一方面，对于油主导流，油是连续相，水是分散相（即D W / O）。 将这两种流动模式的过渡边界分类为完全分散流动的过渡。 然而，对于较低的表面速度，存在其中两相可以同时分散的区域（即，D O / W＆W / O和D O / W＆W）。向这些流动模式的过渡被指定为半分散的流动过渡。这些转变的公式需要预测稀释和致密分散体的液滴尺寸，这将在下面给出。

稀液液分散流最大液滴尺寸。Hinze [34]和Kolmogorov [40]首先提出了均相和各向同性湍流中液滴分解的基础研究。这些研究的主要假设是液滴碎裂是由液滴附近的动态压力波动引起的，克服了界面张力。这个力平衡可以表示为：

（29）

动态压力波动可以从等于液滴直径的距离上的速度变化来估计。考虑连续相湍流场结构，可以确定

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