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中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译学生姓名：王亮学号：04051618专业班级：自动化04-6班指导教师：华陈权2008年6月20日18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译英文资料Multi-phaseFlowAnalysisinOilandGasEngineeringSystemsanditsModellingTwo-phaseflowisverycommoninindustrialprocessesanditsapplicationswerealreadyinuseinagesasremoteastheeraofArchimedes.Atthepresenttime,manyindustrialprocessesrelyonmulti-phasephenomenaforthetransportofenergyandmassorformaterialprocessing.Duringthelastcentury,thenuclear,chemicalandpetroleumindustriespropelledintenseresearchactivityonthearea.Theireffortshavebeenaimedatthedemystificationofthemechanismstakingplaceduringthiscomplexflowsituation.Inthepetroleumindustry,two-phaseflowcanbefoundinavarietyofsituations.Thethreemorecommonworkingfluids(oil,naturalgasandwater)canhavefourdifferenttwo-phaseflowpermutations:gas–liquid,liquid–liquid,solid–liquidandsolid–gasflows.Asolidphasecanbeincorporatedtothefloweitherfromthereservoiritself(duetoeitherdrillingactivitiesorsandformationduringproduction)orfromtheformationofcomplexsolidstructuresduetotheprevailingproductionconditions(e.g.hydratesinnaturalgasfloworwaxesandasphaltenesinoilflow).Oilandnaturalgastransportationtypicallydealswithagas–liquidsystemofflow.Duetothedeformablenatureoffluids,thesimultaneousflowofgasandliquidinapiperepresentsaverycomplexprocess.Asaconsequenceoftheirdeformablenature,gasandliquidmayadoptawidevarietyofspatialconfigurations,usuallyreferredtoasflowpatterns.Multi-phaseflowphenomenacanbefoundinawiderangeoflengthscalesofinterest.Therefore,themostsuitableapproachtostudymulti-phaseflowswilllargelydependonthelengthscaleofinterest.Typically,inthepetroleum18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译industry,attentionisgiventolarge-scalephenomenainmulti-phaseflows,asnodetailedflowbehaviourisneededforroutinedesignandoperation.Forinstance,inpipelinenetworksweareinterestedonlyinthepressuredropandliquidhold-up.Otherthantheeffectofthelocalflowpatternvariables,detailedflowphenomenaarenotimportant.However,small-scalestudiesofmulti-phaseflowsareveryimportantbecauselarge-scalephenomenaarecontrolledbysmall-scalephysics.Forinstance,thetransitionfromoneflowpatterntoanotherisdrivenbylocalsmall-scalephenomena.Oneofthemostimportantproblemstobeaddressedbythescientificcommunityisthedevelopmentofanimprovedunderstandingoftransitionsfromoneflowregimetoanother.Thiscanbeachievedonlythroughsmall-scalestudiesofmulti-phaseflows.Inaddition,fortheimprovedunderstandingoftheoperationofprocessequipmentsuchasseparatorsinthepetroleumindustry,itisnecessarytounderstandthesmall-scalephenomenaassociatedwithseparation.1.1TheGrowthofMulti-phaseFlowModellingThedevelopmentofmulti-phaseflowlarge-scaleanalysisinthepetroleumindustryhasbeendividedintothreepartiallyoverlappingperiods–theempiricalperiod,theawakeningyearsandthemodellingperiod1–whichtogetherencompassthesecondhalfofthepastcentury.Duringtheempiricalperiod,alleffortswerefocusedoncorrelatingdatafromlaboratoryandfieldfacilitiesinanattempttoencompassthewidestrangeofoperationalconditionspossible.Theearliestattempttoempiricallypredicttwo-phaseflowpressuredropsforhorizontalpipesisthewell-knownworkofLockhartandMartinelli.Thiscorrelationwasfollowedbyaninnumerablenumberofnewones,whichclaimedtobeprogressivelymoreapplicableforawiderrangeofoperationalconditions.Beingthefirstquantitativeapproachtotwo-phaseflowmodelling,Lockhartand18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译Martinelli’scorrelationbecameaclassicagainstwhichsubsequentcorrelationswerecompared.Thefactisthatmostcorrelationsarealwaysbestapplicablefortheconditionsfromwhichtheywerederived.ItisworthmentioningthecorrelationdevelopedbyBeggsandBrillforpredictingflowbehaviourininclinedpipes.Alongwithanumberofmodificationsappliedtoit,BeggsandBrill’scorrelationbecameoneofthemostextensivelyusedcorrelations.Thecorrelationconsidershorizontal,verticalandinclinedpipes,andthebasiccorrelatingparameterwastheFroudenumber–adimensionalnumberthatisconsideredameasureoftheinfluenceofgravityonfluidmotion.Ingeneral,therelianceontheempiricalapproachwasalwayslimitedbytheuncertaintyoftheirapplicationtosystemsoperatingunderdifferentconditionsthanthosefromwhichthecorrelationswereoriginallyproposed.Nonetheless,calculatinganddesigningflowlinesinmulti-phaseproductionfacilitiesonthebasisofempiricalcorrelationswasthenormuntilwellintothe1980s.Theadventofthepersonalcomputerduringthe1980sdramaticallyenhancedthecapabilitiesofhandlingprogressivelymorecomplexdesignsituations,whichiswhythisperiodhasbeencalled‘theawakeningyears’.1Muchofthepetroleumresearchonmulti-phaseflowduringtheseyearsandthesubsequentmodellingperiodwasenrichedbytheprogressalreadymadebythenuclearindustry.Althoughthenuclearindustrydealtwithmuchsimplerfluids(waterandsteam),itledthewaytowardsmoreinvolvedtwo-phaseflowanalysisinthepetroleumindustry.Morefundamentalmulti-phaseflowanalysisapproaches,suchastwo-fluidmodelling,werealreadyinuseinthenuclearindustryinthe1970s.Theseseedeffortsarethegenesisofthewell-knownfasttransienttwo-phase-flowcodes–RELAP4,RELAP5,RETRAN,MEKIN,COBRA,CATHAREandTRAC–inusetodayinthenuclearindustry.18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译Nowadays,thepetroleumindustrymightbereadytoexplorenewresearchavenuesinmulti-phaseflowanalysis,withtheincorporationoftheincreasinglysophisticatedmodellingtoolsthathavebecomeavailableinthelastfewyears.Themodellingperiod,whichextendsuptothepresentday,referstothegrowingtendencyofintroducingmorephysicallybased(mechanisticorphenomenological)approachesintomulti-phaseflowcalculations.Themaingoalremainsanattempttoreducetheimpactofempiricalcorrelationsonmulti-phasepredictions.State-of-the-artmulti-phasemodellingeffortscanbestudiedintwodifferentbutinterrelatedfieldsofinterest:small-scaleandlarge-scale,dependingonthelengthscaleofinteresttothemodeller.Duringrecentyears,theoilandgasindustryhaspaidparticularattentiontolarge-scalemodellingofmulti-phaseflows.However,small-scalemodellingpromisestobringimportantphysicalinsightsintothequestformoreaccurateandreliablemodellingofmultiphaseflowintheoilandgasindustryintheforeseeablefuture.1.2Large-scaleInterestState-of-the-artlarge-scalemulti-phaseflowmodellingintheoilandgasindustryislargelybasedonmechanisticmodels.Oneofthedistinguishedfeaturesofamechanisticmodelistheneedforareliabletoolforthepredictionofflowpatterntransitionsforagivensetofoperationalconditions.PerhapstheearliestattempttointroduceafullyphenomenologicaldescriptionofhowtransitionsoccuramongthedifferentflowpatternswastheworkdevelopedbyTaitelandDukler,whichfocusedonhorizontalandnearhorizontalpipes.TheworkofTaitelandDuklerisconsideredoneoftheclassicpapersinmulti-phasepredictionsthatbegantoincorporatemorephysicalinsightintoanalysisinthepetroleumindustry.Thisworkledthewayforsubsequentresearchinthearea,18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译andmostoftheirtransitioncriteriaarestillinuseinmorerecenttwo-phaseflowmodels.Fewyearsafterthatinitialwork,Taitelandco-workersextendedthemodelfortheverticalandnearverticalcaseandBarneaextendedthephenomenologicalapproachtothewholerangeofpipeinclinationsinthe1980s.Thesethreeworksarecommonlyreferencedamongresearchersinthearea,withanumberofattemptsatimprovement.Additionalsteady-statecomprehensivemechanisticmodelsfortwophaseflowinverticalwells,horizontalpipesanddeviatedwellswerepresentedbyAnsari,Xiao,Kayaandco-workersinthe1990s.AllthesemechanisticmodelsweredevelopedattheTulsaUniversityFluidFlowProjectsandareusuallyreferredtoasTUFFPmodels.Nowadays,therearealsoanumberofcommerciallyavailabletwophaseflowpackages,whichincludevariousfeaturesintendedtoaccomplishspecifictasks.ExamplesincludeOLGA,TACITE,PEPITEandPIPESIM,amongothers.Modernmulti-phaseflowanalysismodelstheflowofoilandgasthroughpipelinesbyinvokingthebasicprinciplesofcontinuummechanicsandthermodynamics.Dependingonhowtheseequationsareappliedandhowtheinteractionsbetweenphasesaredescribed,themostwidelyusedtwo-phasemodelsarethehomogeneousmodel(flowtreatedasasinglephasewithaveragedfluidproperties),drift-fluxmodel(flowdescribedintermsofanaveragedlocalvelocitydifferencebetweenthephases),separatedmodel(phasesconsideredtobeflowinginseparatedzonesofthechannel)andtwo-fluidmodel(amulti-fluidmodelthatconsiderstwoflowingphasesandtheirinteractions).Inthelastdecade,agreatdealofattentionhasalsobeendevotedtomechanisticor‘phenomenological’models–i.e.modelstryingtocapturespecificfeaturesofindividualflowpatterns–inwhichsimplifiedconservation18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译equationsareinvokedwhilethemainfocusisthepredictionofpressuredropandhold-up.However,inpreviousdecades,thechallengeofmodellingtwo-phaseflowsbyinvokingsuchfundamentallawshadbeencircumventedbyrelianceonempiricalandsemi-empiricalcorrelations,especiallyintheoilindustry.Perhapsoneofthemostfundamentalandrigorousapproachestothestudyoflarge-scalemulti-phaseflowcurrentlyinuseinthepetroleumindustryisthetwo-fluidmodel.Inthetwo-fluidmodel,separateconservationequations(mass,momentumandenergy)arewrittenforeachofthetwophasesforatotalofsixequations.Theseequationsarecoupledwithtermsdescribingtheinteractionbetweenphases.Inthistwo-phaseflowmethodofanalysis,aswellasinalltheothers,empiricismcannotbecompletelyavoided,sinceadditionalclosurerelationshipsareneeded.Empiricismcomesintothepictureduringattemptstomodelthevarietyofconstitutiverelationshipsthatshowupinconservationequations.Forinstance,Ayalaetal.2havepresentedaunifiedtwo-fluidmodelfortheanalysisofnaturalgasflowinpipelineinmulti-phaseflowregimes.Theirformulationassumesthatbothgasanditscondensateareacontinuumandinvokesthebasiclawsofcontinuummechanicsinonedimensioncoupledwithathermodynamicphasebehaviormodel.Intheirwork,therequiredsemi-empiricalrelationshipsneededtogivemathematicalclosuretothemodelarediscussedindetail.1.3Small-scaleInterestandComputationalPhysicsThestudyofsmall-scalemulti-phaseflowhasprovedtobeextremelydifficultforresearchersduetotheelusivenatureofthephenomenaandtheinherentlimitationsofexperimentalset-ups.Agreatdealofprogresshasbeenmadeonthedevelopmentofusefulsmall-scaleexperimentalstudies,butnumericalexperimentsormodelsstillremainthemosteffectivewayofstudying18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译suchdetailedflowbehaviour.Thechallengeofmodellingsmall-scalemulti-phaseflowresidesinthefinitenatureofthecomputerpowertypicallyavailabletothemodellerandthedifficultyoftrackingseparatedphases(andinterfacesbetweenthem)withsharplydifferentproperties.Theinterplayofthesetwofactorshashistoricallylimitedthecomplexityofthesystemsthatcanbestudiedusingsmall-scalesimulation.However,duringthelastdecade,majorprogresshasbeenachievedbyimplementingavarietyofnumericaltechniques,whichtypicallydependupontheflowpatterntypethatprevailsundertheconditionsofthestudy.Thestudyofsmall-scalephenomenastartedwhenagroupofscientistsattheLosAlamosNationalLaboratorybegantodevelopthebasisofComputationalFluidDynamics(CFD)intheearlyandmid-1960s.Inmulti-phaseflowmodellingwithinsmall-scaleinterest,theNavier-Stokesequations–withtheappropriateboundaryconditions–aresolvedthroughasuitablenumericalmethod–e.g.finitevolumes,finitedifferences,finiteelementsorspectralmethods.Themainproblemariseswhenconsideringthatsomeboundaryconditionsaretime-dependent,sincetheyarelocatedatphaseboundaries,whicharefreetomove,deform,breakuporcoalesce.Differentmethodshavebeenproposed;herewementionafewofthem.Themostcommonsmall-scalemodellingapproachdiscretisestheflowdomainusingaregularandstationarygrid–i.e.thewell-knownEulerianframeofreferenceforfluidmotion.Thefirstsmall-scaleEulerianmethodproposedwasthemarker-and-cell(MAC)method,wheremarkerparticlesdistributeduniformlyineachfluidwereusedtoidentifyeachfluid.Usingthismethod,inthelate1960sHarlowandShanonstudiedthesplashwhenadrophitsaliquidsurface.TheMACmethodhasbecomeobsoletesincethenandhaslargelybeenreplacedbyothersthatusemarkerfunctionsinstead–e.g.theso-called18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译volume-of-fluid(VOF)method.IntheVOFmethod,thetransitionbetweentwofluidstakesplacewithinthecontextofonegridcell.Themainproblemassociatedwiththisisthedifficultyofmaintainingasharplydefinedboundarybetweentwoflowingfluids.Inordertoaddressthisdifficulty,level-set(LT)methodsusecontinuous–ratherthandiscontinuous–markerfunctionsinordertoidentifythefluids.Theuseofcontinuousmarkerfunctionscreatessmoothtransitionzonesbetweenthetwofluidsofinterestandavoidsthedifficultyofmaintainingasharplydefinedboundary.Someothersmall-scalemodellingapproachesusetheLagrangianframeofreferenceforfluidmotion.InLagrangianmethods,thenumericalgridfollowsthefluidanddeformswithit.Inthisapproach,themotionofthefluidinterfaceneedstobemodelledinordertoaccuratelycapturethenewfluidpositionsateachtime-step.Ateverytime-step,thegridisrefittedandadjustedtomatchthelocationofthenew,displacedboundaries.Inthe1980s,RyskinandLealusedthismethodtostudythesteadyriseofbuoyant,deformable,axisymmetricbubbles,whileOranandBorisstudiedthebreak-upofatwo-dimensionaldrop.Asimilarapproach,calledfronttracking,isalsoused,whereaseparatefrontmarkstheinterfacebutafixedgridisusedforthefluidwithineachphase;however,thefixedgridismodifiednearthefrontsoasinglegridlinefollowstheinterface.Small-scalemodellingtypicallytakesadvantageofcertainmultiphaseflowconditionsthatcangreatlysimplifythemodellingprocess.Forexample,itispossibletosimplifytheNavier-Stokesequationsbyignoringinertiacompletely(Stokesflow)orbyignoringviscouseffect(inviscidflows)inthelimitoflowandhighReynoldsnumbers,respectively.Thesetwolimitingcasesaretypicallystudiedwithboundaryintegralmethods.Thestudyofdispersedflows,for18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译example,canbemadeespeciallyamenabletosmall-scalesimulationsincethestudyofoneofthephases(i.e.thedispersedphase)canbegreatlysimplified.Twomainmethodsareusedtosimulatedispersedflows:theEulerian-EulerianortheEulerian-Lagrangianapproach.IntheEulerian-Eulerianapproach,separatedequationsaresolvedforthedispersedandthecontinuousphase.Noattemptismadetoresolvethedetailedmotionoftheparticles,andthusclosurerelationsarenecessaryfortheunresolvedmotionandtheforcesbetweentheparticleandthecontinuousphase.Theclosurerelationsaredeterminedthroughexperimentalcorrelations(similartothecomputationofturbulentflowsusingReynoldsaverageNavier-Stokesequations).IntheEulerian-Lagrangianapproach,thedispersedphaseisrepresentedbypointsmovinginwardsandotherwiseconstant-densityflow–i.e.theso-calledpointparticleapproximation.TheparticlesarefollowedusingaLagrangianapproachandtheforces(suchasdragforces)ontheparticlearespecifiedbyanalyticalandexperimentalmodels.Insomecases,theparticlesareassumedtohavenoeffectonthefluidflow,butinothercasestheforcesfromtheparticlesareaddedtotheright-handsideoftheNavier-Stokesequationofthecontinuousphase.However,noneoftheseapproachescanmodelthedetailedflowaroundtheparticlethataffectstheinteractionsofnearbyparticles.Theseinteractionsareimportanttounderstandparticlecoalescence,whichisthefirststeptowardsapossibleflowpatternchange.Ayalaetal.3haverecentlydevelopedafirstattempttoincorporatesuchinteractionsthroughanewhybriddirectnumericalsimulation(HDNS).Thisapproachconsistsofdirectnumericalsimulationoftheundisturbedcontinuousphaseflowandananalyticalrepresentationoflocaldisturbanceflowsinducedbytheparticles.Inaddition,arelativelynewmethodinsmall-scalemodellingistheLattice18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译Boltzmannmethod.LatticeBoltzmannmethodsarebasedonkinetictheoryandthusnoNavier-Stokesequationsaresolved.Instead,themethodconsidersatypicalvolumeelementoffluidtobecomposedofacollectionof‘particles’thatarerepresentedbyaparticlevelocitydistributionfunctionforeachfluidcomponentateachgridpoint.Inthisnovelapproach,therulesgoverningthemotionandcollisionsofthese‘particles’aredesignedinsuchawaythatthetime-averagemotionoftheparticlesisconsistentwiththeNavier-Stokesequation.1.4ConcludingRemarksThemostpopularmodellingapproachnowadaysintheoilandgasindustry–aboveandbeyondtheuseoflong-established,fullyempiricalequations–islarge-scalemechanisticmodelling.Large-scalemodellingincludestheuseoftransientandsteady-statetwo-fluidmodels,aswellasavarietyofsteady-statemechanisticmodels.However,large-scalemulti-phaseflowmodellingreliesmuchmoreheavilyonempiricalorsemi-empiricalcorrelationstomodelthephenomenathansmall-scalemulti-phaseanalysisdoes.Small-scalemulti-phaseflowanalysisreliesonthedirectsolutionofthemostfundamentalfluiddynamicequations,thusgreatlyreducingtheneedforempiricism.Thelimitationofsmall-scalemulti-phaseanalysisresidesinitsscope,whichisnotcurrentlyamenabletothestudyoflargeindustrialsystems.Theoilandgasindustryreliesonlarge-scaleanalysisanddoesnotcurrentlyusesmall-scalemethodsforthesimulationandmodellingofoilandgassystems,butthephysicalinsightsthatcanbeobtainedbysmall-scalesimulationareinvaluable.Itiswidelyexpectedthatthedemystificationofsmall-scaleintricaciesofmulti-phaseflowphenomenacangreatlyhelplarge-scalemodellingintheforeseeablefuture.Thesimultaneousimplementationoflarge-scaleandsmall-scalesimulation18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译representsapowerfulcombinationthatcansignificantlyimproveourunderstandingofmulti-phaseflowphenomena.Small-scalesimulation,forexample,couldplayanimportantroleinsignificantlyimprovingthenatureandreliabilityofthesemi-empiricalrelationshipsneededbylarge-scalesimulationmodels.Small-scalesimulationcanalsodefinemorereliableflowpatterntransitionmodels,whicharethebackboneofthelarge-scalemulti-phaseflowsimulatorsinusetoday.18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译中文翻译油气工程中的多相流分析与建模在工业生产过程中两相流普遍存在，同样两相流的最初应用年代可以追溯到阿基米德时代。目前，工业生产中的能量、质量运输或材料加工都是依靠多相流现象来实现的。在上个世纪中，核能、化工、石油工业的发展强烈地推进了多相流领域中的相关研究，并且在复杂多相流中力学原理的启发下得到了许多重要的研究成果。在石油工业中，两相流广泛存在，三种普遍的工作流体(石油、天然气、水)可以排列组成四种不同的两相流体：气液、液液、固液、固气。固相可以通过两种途径加入流体，一种是来自油层自身：生产过程中钻头的运动和沙子的形成，使得固相加入到了流体中；另一种是主要产品生产条件形成的复杂固相结构，例如：天然气中的碳氢化合物——石油流体中的石蜡和沥青。石油与天然气的运输是一种典型的气液流体分离系统，由于流体不断变化的性质，所以每个管道中流动的气、液两相流体就会有很多复杂的变化过程，因此，可以采用很大范围的空间模型作为研究气、液两相流体的流型参考。多相流现象广泛存在，所以适合研究多相流现象的途径也有很多。在石油工业中，因为在常规设计和操作中不需要流体的细节行为，所以最典型的研究途径是研究大尺度多相流现象，例如，我们仅仅对管道网络中的压降和持液率感兴趣。尽管研究流体的细节现象不如研究管道中流体变化结果重要，但是多相流的小尺度研究也是非常重要的，因为小尺度物理成分控制大尺度流体现象，例如，局部的小尺度流体现象驱使流体流型向另外一种流体流型转变。科学界发表的几个重要问题之一就是发展并提高对流体状态转变的认识，这个问题只有通过多相流的小尺度研究才可以解决，另外，也要提高对生产设备操作的认识，例如：在石油工业中，研究小尺度多相流现象与分离器的分离操作的关系是有必要的。18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译1.1多相流建模的发展过程石油工业中多相流大尺度分析的发展过程可分为三个阶段：经验阶段、“苏醒”阶段与建模阶段，共同组成了过去世纪的一大半时间。在经验阶段中，所有的努力都集中在实验室所得数据与现场所得数据的相关性方面，根据两者的关系，试图包含所有工作条件范围的模型。最早尝试利用经验法预测水平管中两相流压降的是洛克哈特和马丁的著名研究，这种相关性方法被以后无数的研究着采纳，他们也宣称研究成果可以应用在更广大的工作条件范围内，因为这种方法是两相流建模的第一种定量方法，所以与以后的各种相关性研究比较，洛克哈特和马丁相关性研究成了经典理论。事实上，大多数的相关性均可以应用到它们成立的工作条件下，非常值得提起的是Beggs和Brill发明的用来预测倾斜管中流体行为的相关性，随着对它的一系列修改Beggs-Brill相关性成为最广泛使用的相关性之一，这种相关性可以应用到水平、垂直、倾斜管中，基本的相关性参数是弗鲁德系数，弗鲁德系数是流体运动时重力变化量组成的一维数组。通常来说，因为应用系统可能在各种条件下工作,而不是在得到相关性的原始条件下工作，所以应用系统经常限制经验建模方法的使用，尽管如此，经验建模都是多相流生产设备中计算和设计的标准规范。19世纪80年代，个人计算机的出现加强了处理更复杂流型的能力，这也是这个时代成为“苏醒”时代的原因。在这个阶段中，石油中很多研究都是关于多相流的，后来的建模阶段是在核工业取得进步的基础上强化的。尽管核工业处理的较简单流体（水和气），但是它的研究为石油工业中两相流的分析指明了方向，更多基础的多相流分析方法已经在19世纪70年代核工业中使用，例如：两种流体的建模方法，这些“种子”式的成果是著名的快速瞬态两相流标识符---RELAP4,RELAP5,RETRAN,MEKIN,COBRA,CATHAREandTRAC的起源,今天这些标识符仍然在核工业中使用18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译。现在，随着不断使用日益完善的建模工具，石油工业可能在研究多相流方面已经扩展了新的途径。已经扩展到今天的建模阶段指的是将基于物理（力学和现象学）建模的方法应用到多相流计算中，这个阶段的主要目标是弥补经验相关性方法在预测多相流变化方面的不足。根据建模人感兴趣的多相流尺度不同，当前多相流建模发展水平成果可以分为两种不同但又相关的研究领域：小尺度模型和大尺度模型。尽管最近几年，石油天然气工业主要关心的是大尺度多相流模型，但是在未来的石油天然气工业中小尺度模型将会给予多相流模型更精确、可靠的物理认识。1.2大尺度建模当前石油天然气工业中的大尺度多相流建模大都是基于多相流力学模型发展而来，力学建模法最显著的特点是对预测给定工作条件下的流型转换提供了可靠工具。最早尝试描述流型间互相转化工作原理的是Taitel和Dukler，他们一直致力于研究水平管多相流和近似水平管多相流。他们的研究成果被认为是预测多相流变化的经典理论之一，并与其它理论的物理见解融合到石油工业多相流分析中，更加开创了多相流流型转化领域研究的先河，同时现在的两相流建模仍然在使用大多数的流型转化规则。在最初研究开始几年后，Taitel与其他合作人将这种建模的方法应用到了垂直管多相流与近似垂直多相流工程中。19世纪80年代，Barnea将多相流现象学方法扩展到了所有倾斜管多相流研究中。这三项有关多相流领域的研究成果经常被多相流领域中的研究人员采用，同时他们也试图提高对多相流模型的认识。除此之外，19世纪90年代，Ansari,Xiao,Kaya及其合作者提出了要对垂直管、水平管、分离管中两相流进行全面的稳态力学建模，因为所有的力学模型都是在塔尔萨大学流体流动工程系建立的，所以这些模型也简称为TUFFP模型。现在，已经有许多商业化的能够完成专门任务的两相流软件包，例如：OLGA,TACITE,PEPITE及PIPESIM等等。18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译现在，石油天然气管道中多相流分析与建模都是引用管道基本的连续力学和热学原理完成的。根据方程应用形式和相间作用描述形式的不同，广泛应用的两相流模型可以分为均匀模型（将流体看作是多流体特性平均的单相流）、流体漂移模型（根据各流体相间的平均局部速率差描述的流体）、分离模型（认为流体相在管道中的不同分离地带流动）及二流体模型（将多相流体模型看作是两种流动的相分及相互间作用）。最近十年中，研究人员在研究力学模型或现象学模型（只针对某一流体流型特点的模型）上投入了大量的精力。当把主要的焦点转移到预测管道流体的压降和持液率时引用了简单的守恒方程，然而，更早的几十年前，引用这些基本原理对两相流体建模的方法遭到了经验或半经验相关性建模方法的抵制，这种矛盾在石油工业中表现得最为突出。当前，石油工业中研究大尺度多相流建模的最基本、严谨的方法是二流体建模法。在二流体建模中，每中流体相都有三个单独的守恒方程（质量、动量及能量），总共六个方程式，每个方程式都注明了两种流体相互作用的条件。因为在试图模拟守恒方程的各种结构关系时经验相关性方法起到了重要作用，所以在二流体建模或其他的两相流分析方法中经验相关性方法是不可缺少的，额外的闭合关系也需要经验相关性方法。例如：Ayala等人就提出了天然气管道流体分析的二流体模型，他们假设模型成立的前提是天然气和天然气冷凝物是一个整体，并且引用了连续力学基本原理与相热学行为模型，所以在Ayala等人的研究工作中有关模型的细节讨论与半经验主义有关而不是数学计算。1.3小尺度建模和计算物理学因为多相流现象的难易捉摸的特性和经验相关性方法遗留的局限，所以对研究者来说，小尺度多相流研究极其困难。尽管在小尺度多相流实验的研究中取得了一定的进步，但是数值实验和数值模型仍然停留在研究流体细节行为的有效方式中。小尺度多相流建模的挑战性在于计算机处理数据的有限能力和追踪不同特性流体相（或者流体相间的界面）的困难，这两种18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译互相影响的因素已经历史性地限制了小尺度模型仿真复杂多相流研究的发展。但是，最近十年随着不断利用多样化的数字技术，小尺度多相流模型的研究也取得了较大进步，所以多相流流型研究也成了热门课题。在19世纪60年代早中期，一大批科学家在LosAlamos国家实验室开始研究计算流体动力学原理时，就标志着小尺度多相流现象研究已经开始了。在用小尺度建模法对多相流建模时，通过一种合适的数值计算方法求解带有边界条件的纳维—斯托克斯方程，例如：有限体积体积法、有限差分法、有限元素法及频谱分析法。因为建模时的边界条件定位于自由移动、变化、分解、合并的相位边界，所以在考虑某些边界条件是随时间不断变化时主要问题就表现出来了，因而提出了不同的计算方法，以下将介绍其中几种。最常用的小尺度建模方法是利用一个规则的、固定的栅板离散化多相流流体区域，也就是著名的欧拉参照理论在流体运动学中的应用。第一个提出小尺度欧拉方法的是标记点和格子（MAC）方法，在这种方法中识别流体的标志粒子被统一分布在每相流体中。19世纪60年代后期，Harlow和Shanon曾利用MAC方法研究液面上的溅点。此后，MAC方法被众人遗忘，并被其它有标志性功能的方法取代，例如：所谓的流体体积（VOF）方法。在VOF方法中，因为两种流体之间的转换发生在一个格子点的情况下，所以VOF方法主要解决的困难问题是如何定义两种流动流体之间明确的边界条件。为了解决VOF方法遇到的困难，液位设定（LT）方法采用了连续非离散的标志功能粒子识别流体，LT方法既在两种流体有效范围内创建了平滑转换区又避免了明确边界条件的困难。另外一些小尺度多相流建模方法是基于拉格朗日流体运动理论的，在拉格朗日流体运动理论中数模网格是随着流体的变化而变化的。在这种方法中，为了能够精确抓住每个时间步下新流体位置，需要对流体运动交界面进行建模，因而在每个时间步中，为了匹配新位移界限的位置，数模网格都在不断变化调整中。19世纪80年代，Ryskin和Leal18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译用这种方法研究了轻快的、易变形的、轴对称泡沫的稳态上升问题；与此同时，Oran和Boris正研究二维空间下液滴的分解问题。与此建模方法相似的一种方法也被使用：前缘追踪方法，在前缘追踪方法中单独的前缘标志粒子标示流体界面，固定栅格应用于每相流体，但是在靠近流体界面前端处的栅格经常被修改，所以会有一条单格线随着流体界面的变化而变化。小尺度多相流建模典型的利用了多相流的某些特性，这些特性可以大大简化其建模过程，例如：忽略斯托克斯流型的惯性作用或忽略非粘性流体中因各自的雷诺系数限制的粘性作用可以简化纳斯—斯托克斯方程，这两种限制条件可以利用边界积分方法解决。例如：因为研究分散流体更加简单，所以分散流体的研究对小尺度建模有着义不容辞的责任。分散流体建模的两种主要方法是欧拉—欧拉法和欧拉—拉格朗日法。在欧拉—欧拉法中，利用分离变数方程对分散流体相与连续流体相求解。因为没有任何尝试求解流体中粒子的细微的运动，所以需要粒子、连续流体相间的作用力和流体运动构成闭合关系。这种闭合关系由实验相关性（与利用雷诺平均纳斯—斯托克斯方程计算湍流流体的结果相似）决定。在欧拉—拉格朗日方法中，利用流体内部不断运动的粒子和其它常量密度流等换取代分散流体，也就是所谓的点粒子的逼近方法，拉格朗日方法中一直存在粒子模型，并且在分析实验模型中也指定了粒子间的互相作用力（例如：曳力）。尽管在某些情况下，假设的粒子模型对流动流体没有任何作用，但是在另外的很多情况中粒子间相互作用力被添加到连续相纳斯—斯托克斯方程的右边。尽管粒子间相互作用对理解粒子合并很重要，也是流型转化的第一步，但是没有任何方法能够对细微流体中粒子作用建模。最近，Ayala等人正尝试通过新的混合直接数字建模（HDNS）技术研究粒子间相互作用，HDNS方法包括对稳态连续相流体直接进行数字建模及粒子对局部流体产生的干扰进行分析描述。另外，Lattice-Boltzmann方法是与小尺度多相流建模相关的新方法，因为Lattice-Boltzmann方法以分子运动论为基础,所以不用求解纳斯—18 中国石油大学（华东）本科毕业设计（论文）外文翻译斯托克斯方程。相反，Lattice-Boltzmann方法认为流体的典型体积元素是众多粒子的集合，这些粒子由网格点处每种流体成分的质点速度分布函数所描绘。在这种新奇的方法中，根据粒子的时间平均运动方式设计了流体运动控制的规则和运动粒子碰撞的规则，这些规则与纳斯—斯托克斯方程式是一致的。1.4结束语当今石油天然气工业中最受欢迎的多相流建模方法是大尺度多相流力学建模方法，它的使用频率已经远远超过了长期建立的完全凭经验的方程式。尽管大尺度多相流模型包括瞬态和稳态两相流体模型及其他各种各样的稳态力学模型，但是大尺度多相流建模方法比小尺度多相流分析方法在现象建模中更依靠经验或半经验相关性，而小尺度多相流分析方法依靠基础的流体动力学方程直接求解。小尺度多相流分析方法对研究大型工业系统没有突出贡献是其在多相流领域中的局限，尽管石油天然气工业依靠大尺度多相流分析方法，而不使用小尺度多相流建模方法对石油天然气系统进行仿真和建模，但是小尺度多相流建模方法在多相流研究领域得到的物理见解是任何其它建模方法都无法比较的。现在最希望受到小尺度多相流建模方法复杂性的启发，可以帮助未来的大尺度多相流建模。同时利用大尺度与小尺度多相流建模方法表现了两者强有力的结合，对理解多相流现象也有着重要的意义。例如：小尺度多相流建模方法在提高半经验关系的特性和可靠性方面扮演着重要角色，这种半经验关系是大尺度多相流建模方法所需要的；小尺度多相流建模方法也可以定义更可靠的流型转化模型，这些模型就是当今正在使用的大尺度多相流模拟器的骨架。18
