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浅析气液两相流及其应用

浅析气液两相流及其应用

摘要：气液两相流存在于石油、天然气、动力、化工、水利、

航天、环境保护等工业中，其研究已成为国内外学者广泛关注前沿学

科。本文概要性的描述了气液两相流的应用背景、流动型式，并介绍

了气液两相流参数检测的手段和两相流计算的基本方法。

关键词：气液两相流流动型式参数检测计算方法

1.气液两相流的应用背景

近些年来，石油、天然气、动力、化工、水利、航天、环境保护

等工业的迅速发展促进了气液两相流的研究和应用。在实际应用中可

以将凝析天然气简化的看作气相为甲烷，液相为水的气液两相流[3]。

为了在实现天然气井口对凝析天然气气、液两相流量的实时在线测

量，需要对其进行相应研究。再如，火力发电厂中锅炉的汽水分离、

蒸发管中的汽水混合物的流动都属于气液两相流问题[1]。

2.气液两相流的流动型式

气液两相流中气液两相的分界面多变，其流动结构受各相的物理

特性、各相流量、压力、受热、管道布置等影响。在不同的流型下，

两相流的流体力学特性不同，因此为了研究两相流的运动规律，必须

研究其运动型式。

在水平管道中，气液两相流常见流动形态如图1所示。

图1水平管道中气液两相流流型

水平管中，气泡流的特征为液相中带有散布的细小气泡，由于受

到重力的影响，气泡多位于管子上部。随着泡状流中的气相流量的增

加，气泡聚结成为气塞，气塞一般较长，且多沿管子上部流动。当气、

液两相流速均较小，会受到重力分离效应产生分层流，而当分层流动

中气相速度较大时，气液的交界面将产生扰动波形成波状流。若气相

速度再增大，则气液分界面由于剧烈波动将有一部分与管道顶部接

触，分隔气相成为气弹，从而形成弹状流，大气弹则将在管道上部高

速运动。

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在竖直管道中，气液两相流多分为泡状流、弹状流、乳沫状流、

丝状环状流和环状流等，如图2所示。

图2竖直管道中气液两相流流型

3.气液两相流参数检测的基本手段

（1）采用传统单相仪表进行气液两相流测量多为获得工业应用

中气液两相的在线实时流量信息，与实际应用紧密相关。传统单相仪

表测量有两种方法，一种是基于单相流的研究方法，即从物理概念出

发或从微分方程中得到描述湿气流动的一些无因次参数，然后根据实

验数据得到经验关系式，再与传统的单相流仪表相结合应用到多相流

参数检测中。另一种是利用多个传统单相流仪表组合，进行多参数组

合测量以确定两相流量，如文丘里管与内锥流量计组合[6]、文丘里

管与涡轮流量计组合、密度计与涡轮流量计组合等[2]。

（2）近代新技术手段包括过程层析成像技术、高速摄影技术、

数字图像处理技术、示踪技术、激光多普勒技术等，采用这些技术可

以获得两相流流场中流型、流速、容积含气率等特征参数。例如过程

层析成像技术能够在线直观的得到流体截面上的可视化信息，激光多

普勒技术能够得到离散相粒子的速度、尺寸、流量等信息。

（3）数值计算方法。数值模拟是利用计算机进行质量、动量、

能量守恒方程的求解，以得到流场区域内两相流动信息。数值模拟比

实流试验更省人力物力财力、不用考虑重复性问题，且能够在更理想