气体非牛顿流体两相流动

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1、气体/非牛顿流体两相流动与气/水两相流动阻力特性的比较 劳力云吴应湘郑之初李东晖石在虹 (中国科学院力学研究所应用流体力学研究室) 提要本文基于常用的均相流动模型，主要针对油/气/水混输管道中经常遇到的气体/幂律液体水平管道两相流动，对其阻力特性进行了阐述，其中包括流动基本模型和方程、常用的经验估算方法等方面，将它与气/水两相流动中对应的有关问题进行了比较。SummaryInthispaper,thepressurelosscharacteristicsofthegasandpower-lawliquidtwo-phaseflowthatwasoftenmetwithi

2、noil/gas/waterconcurrenttransportationpipelinewerepresented.Basedthehomogeneousmodel--oneofthefrequentlyadaptedmodels,theissuesoffundamentalmodelandequationsoftheflowandtheestimationmethodsofpressurelosseswereincluded.Theseresultswerealsocomparedwiththecorrespondentsrelatedtogas/watertwo

3、-phaseflows.关键词均相模型气液两相流非牛顿流体Keywordshomogeneousmodel,gas/liquidtwo-phaseflow,non-Newtonianfluid  1引言在海洋石油资源开发中，油气混输正在成为一种越来越重要的油气输运手段。为了了解油气混输管道中的能耗，进行混输管线与增压系统的合理设计，在油气混输过程中对油、气、水等介质进行有效准确的计量，以及对整个混输系统的运行状态进行监控等等，需要深入了解油气混输管道的流动阻力特性。另一方面，油气混输问题实际上属于气液两相流动中的气体/非牛顿液体的流动问题。而目前在国内外，气液两相流研究

4、主要集中于对气体/牛顿液体（尤其是气/水两相流）的流动特性上，对于气体/非牛顿液体流动问题的研究相对较少，尚无比较成熟的结果。因此，对气体/非牛顿液体的流动阻力特性进行研究，不但具有重要的工程价值，也具有较大的学术意义。实际测试结果表明，我国油田所生产的原油，在常温输送时，其流变特性表现为幂率流体的特性——流动剪应力与剪应变呈现为幂率关系（对于管流即）[1，2]。其主要的参数为稠度系数K和幂率指数n。本文中的非牛顿液体即指这一类流体。下面根据两相流的均相流动模型和基本方程，针对油/气/水混输管道中经常遇到的气体/幂律液体水平两相流动的阻力特性进行了阐述，并讨论了对摩擦系

5、数的经验估算方法，将它与气/水两相流动中对应的有关问题进行了比较。 2均相流动模型在某些两相流态中，如果一相均匀地弥散在另一相中，两相间的动量传递和能量传递足够快，两相的局部平均速度和温度就基本相同。此时，可以应用均相模型对两相流的流动特性进行研究。均相模型的基本思路是用一等效可压缩流体代替两相流体。一般，在研究气泡流、雾状流等流态下的流动特性时，常采用均相流模型。均相模型的基本假设为：（1）（1）气液两相具有相同的线速度，即（式中u表示介质线速度，下标G,L和H分别表示气相、液相和均相，下同）；（2）（2）两相间处于热平衡状态。对于两相管流，设其轴线方向为z，根据连续

6、性、动量守恒和能量守恒原理以及上述假设，可以得到：（1）（2）（3）上列式中，为介质密度，A为流道截面积，p为管道中的压力，Pr为流道周长，为管道壁面剪应力，为质量流速，为介质比容，g为重力加速度，q为管道轴线的倾角，F为管道中摩擦力所引起的能量损失。比较（2）、（3）两式，易知由摩擦力引起的管道压降（4）式中fTP两相摩擦系数，De为两相流动水力直径。实际上，（2）式反映了这样一个事实，管道的总压降由管道摩擦压降、管道加速压降和管道重力压降三部分构成的。流体的流变特性不影响其中的加速压降和重力压降，但将通过影响两相摩擦系数而直接影响摩擦压降。3气/水两相流的摩擦系数计

7、算均相模型在本质上将两相流动视为单相流动，其摩擦系数的确定方法与单相流动类似。在单相流动的摩擦阻力计算中，摩擦系数f与流体介质动力粘度m的关系比较简单，主要决定于流动的Reynolds数（式中D为单相流动的水力直径）。当Re低于2000时（层流），摩擦系数为(5)当Re高于2000时（湍流），则应用Blasius公式：(6)对于气体/牛顿液体的气液两相流，常采用以下三种方法计算粘度[3]：（1）取两相粘度为单相粘度。当含气率较低时，取两相粘度为液相粘度(7)当含液率较低时，取两相粘度为气相粘度(8)（2）低浓度悬浮小球粘度计算式。对于空隙