基于Taitel-Dukler方法的气液两相流型边界计算软件开发

邵 奇

（中国石油大学（北京），北京 102249）

基于Taitel-Dukler方法的气液两相流型边界计算软件开发

邵 奇

（中国石油大学（北京），北京 102249）

气液两相流动是多相流动最为常见的类型之一，其现象广泛存在于石油工业的生产之中。气液两相流的流型在很大程度上影响着气液两相流的传热特性和流动特性，同时还影响着两相流系统的运行以及流动特性参数的准确测量。采用Taitel-Dukler方法的流型判别准则应用Java语言开发出流型边界计算软件，并用该软件计算得出的结果绘制流型图。结果表明：管道向下倾斜将会增强流动型态的层状化；当管径变小时，发生流型转变的气液相折算速度也较小。

气液；两相流；流型；软件

多相流动的流体运动形式比较复杂，其复杂性主要表现在流型的多变性、能耗增大、相间相互作用强、物性变化临界值降低、数学描述难度大等方面[1]。

气液两相流动是指气相和液相这两种流动介质同时存在于同一个流动体系中的流动现象。它是多相流动最为常见的类型之一。气液两相流动现象广泛存在于石油工业的生产之中。气液两相流的流型在很大程度上影响着气液两相流的传热特性和流动特性，同时还影响着两相流系统的运行以及流动特性参数的准确测量。能否正确判断流型对气液两相流的研究意义重大。因此，对于气液两相流流型的判别一直是两相流参数研究的一个重要课题［2］。

为了便于流型判别，根据实际需要人们常采用流型图作为综合表示流型间过渡关系的一种简便方法[3]。

1 水平气液两相流型图的建立

对于气液两相流动型态的确定是计算水平管道两相流压降的前提。由于是在主观观察的基础上进行流型的定义,因环境因素、实验条件存在差异目前尚未建立公认的定义,所以人们广泛采用普遍接受的流型划分[3]。

1.1 Baker流型图

Baker在1954年提出的首幅对各种介质较为通用的流型图是为人们所熟知的最早的水平管路流型图[4]。Baker以大量实验和观察为基础，在对许多实验数据进行分析后，总结出了七种流型各自对应的经验公式，认为流型和气液流量、气液物性都有关。目前该流型图在石油工业中依然被广泛使用[5]。

1.2 Mandhane流型图

Mandhane在1974年通过实验得到的数据做出了水平管流型分界图。Mandhane流型图以气相折算速度为横坐标，以液相折算速度为纵坐标，共划分出六种流型。该流型图的优点是适用范围要比Baker流型图更广泛，使用者众多，但缺点是不能体现气液物性对流型的影响[5]。

1.3 Taitel-Dukler流型图[5]

以上两种流型图均属于经验流型图，其缺陷颇多，考虑流型影响因素不够全面。Taitel和 Dukler在 1976年提出的用半理论方法对流型边界的处理相对经验流型图而言比较全面，因而得到了广泛的认同。他们把两相管路的流型分为5种，并假设管内的气液两相为一维的稳态流动，从分层流入手，研究流型转换机理与分界准则，在此基础上提出Taitel-Dukler流型图。该流型划分法使用广泛，适用于各种管路倾角，包括倾角为90°时的垂直管。

2 Taitel-Dukler方法流型判别准则

2.1 由分层流转换成冲击流或环状流的判别准则

Taitel和Dukler根据波的稳定性理论，定义了一个判别用的无因次参数F:

由分层流转变为冲击流或环状流，决定式为：

2.2 由冲击流转换成环状流的判别准则

随着液体流量的增加，分层流发展为环状流或冲击流的唯一决定因素是管内的液面高度。Taitel和Dukler提出，如果＜0.5，则分层流转变为环状流；如果≥0.5，则转变为冲击流。

2.3 由层状流转换成波状流的判别准则

当压力和切力对于波所作的功超过波的粘滞损耗时，波将在液层的表面被激起，Taitel和Dukler根据波产生的条件，定义了一个无因次参数K。

由层状流转变为波状流，决定式为：

2.4 由冲击流转换成分散泡状流判别准则

在冲击流中，随着液面越趋近于管子的顶部，则气体越容易与液体混合。Taitel和Dukler提出，当液体紊流的脉动强度大到足以克服使气体位于管子顶部的浮力时，则将出现冲击流向分散泡状流的转变。根据这一认识，他们定义了一个判别用的无因次参数T:

由冲击流转变为分散泡状流，决定式为：

根据Taitel和Dukler提出的流型判别的四个准则，笔者应用Java语言编制出气液两相流型边界计算软件，根据实验需要输入合理数据，边界计算结果如下图所示。

图1 流型边界计算软件Fig.1 Flow Pattern Boundary’s Calculation Software

3 计算结果对比分析

3.1 结果准确性验证

图2 流型图对比Fig.2 Flow Patterns’ Comparison

为了验证本软件计算结果绘制流型图的准确性，现将计算流型边界参数绘制的流型图与通过实验研究绘制的流型图进行对比[3]，比较结果如图 2所示，其中横坐标为气相折算速度，纵坐标为液相折算速度，图中实线部分为通过软件计算得出的参数绘制的流型转换边界。通过对比，可以看出，二者各主要流型间的分界线基本重合，从而验证了本软件的准确性。在此基础上，根据实验需要应用所开发的计算软件通过输入不同的参数值所得出的边界点绘制出流型图，以此来得出相应的结论。

3.2 不同倾角流型分布图绘制

在管径为50 mm，管道下倾角为1°时绘制出的流型分布图如图3所示。相同管径下，管道下倾角5°时绘制出的流型分布图如图4所示，其余参数气相取空气的参数值，液相去水的参数值。通过对下倾角不同的流型图进行对比可以看出：

图3 管道下倾角为1°的流型分布图Fig.3 Flow Pattern(Dip Angle is 1°)

图4 管道下倾角为5°时的流型分布图Fig.4 Flow Pattern(Dip Angle is 5°)

当管道向下倾斜角度增大时将会增强流动型态的层状化。

3.3 不同管径流型分布图绘制

当管段水平时（即管道下倾角为 0°时），绘制管径分别为25和50 mm的条件下的流型图(图5)，实线表示50 mm管径时的流型转换边界，虚线表示25 mm的管径时的流型转换边界，通过对比可以得出，当管径变小时，发生流型转变的气液相折算速度值也有所降低。

图5 不同管径下水平管两相流的流型分布图Fig.5 Two Different Diameters’ Flow Pattern

4 结 论

笔者将所开发的流型边界计算软件得出数据绘制的流型图与哈尔滨工程大学张金红所作的气液两相流流型实验观察的流型图进行对比，表明各主要流型间的变化趋势基本符合，从而验证了本流型边界计算软件在一定程度上的准确性。通过单一变量法的应用得出以下结论：

（1）通过对管径相同下倾角不同得到的边界数据所绘制的流型图进行比较，可以看出，管道向下倾斜将会增强流动型态的层状化。

（2）通过对管径不同水平条件下得到的边界数据所绘制的流型图进行比较，可以看出，当管径变小时，发生流型转变的气液相折算速度也较小。

［1］ 韩炜.管道气液两相流动技术研究[D].南充：西南石油学院, 2004.

［2］ 周云龙，孙斌，李雅侠.气液两相流流型压差波动的PDF特征[J].仪器仪表学报, 2003,24(4):432-433.

［3］ 张金红.气液两相流流型实验研究[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学,2005.

［4］ Baker O.Simultaneous flow of oil and gas.Oil Gas Journal. 1954,26(7):185-195.

［5］ 冯叔初,郭揆常,等．油气集输[M].山东：中国石油大学出版社，2006：170-175．

Development of Gas-liquid Two-phase Flow Boundary Calculation Software based on Taitel - Dukler Method

SHAO Qi
（China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China）

Gas-liquid two phase flow is one of the most common types of multiphase flow; the phenomenon widely exists in the production of the oil industry. The flow pattern of gas-liquid two-phase flow to a great extent, affects the heat transfer characteristics and flow characteristics of gas-liquid two-phase flow, and affects the operation of the two-phase flow system and accurate measurement of flow characteristic parameters. In this paper, flow pattern criterion of Taitel - Dukler method was used to develop flow boundary calculation software based on Java language, and the flow pattern map was drawn based on the results calculated with the software. The results show that: downward inclined pipe can enhance the stratification of the flow pattern; when the pipe diameter becomes small, gas liquid superficial velocity of flow pattern is small.

Gas-liquid; Two-phase flow; Flow pattern; Software

TQ 018

A

1671-0460（2015）08-1981-03

2015-03-10

邵奇（1988-），男，黑龙江七台河人，助理工程师，硕士在读，2011年毕业于中国石油大学（北京）油气储运工程专业，研究方向：从事油气田地面工程及成品油管道调度方面的研究工作。E-mail：shaoqicool@126.com。