王祺來

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

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石油化工多相管流研究綜述及應(yīng)用

王祺來

（中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249）

摘 要：多相管道流動(dòng)廣泛存在于石油化工行業(yè)中，但目前國內(nèi)外研究學(xué)者對多相管流機(jī)理問題在實(shí)驗(yàn)和理論方面尚存在有不一致的結(jié)論和認(rèn)識，文章對多相管流研究進(jìn)行調(diào)研整理，闡述了多相管流發(fā)展歷程及研究現(xiàn)況，介紹了近些年來的研究熱點(diǎn)，最后概述多相管流在石油化工行業(yè)的應(yīng)用，對學(xué)者研究石油化工多相流管流問題起到一定理論指導(dǎo)。

關(guān) 鍵 詞：多相管流；石油化工；研究熱點(diǎn)；應(yīng)用

多相管流是研究相異組份或者相異狀態(tài)的物質(zhì)共同存在于管流中的動(dòng)力學(xué)及傳熱傳質(zhì)規(guī)律，廣泛存在于石油化工、能源動(dòng)力、低溫制冷及航空航天等學(xué)科領(lǐng)域中。在石油化工中，常常需要處理不同組份或者不同相態(tài)物質(zhì)的流動(dòng)問題，這種體系通常被稱作多相體系，相應(yīng)的流動(dòng)被稱為多相流［1］。兩相以上的流動(dòng)廣泛存在于石油化工中，如石油、天然氣、水三相流動(dòng)，甚至油、氣、水、沙四相同時(shí)流動(dòng)。

隨著工業(yè)科技的發(fā)展，多相管流的原理研究及其應(yīng)用儼然是石油化工領(lǐng)域的重要研究課題。但時(shí)至目前，研究人員仍不能徹底掌握多相流的原理，對許多問題在實(shí)驗(yàn)和理論方面尚存在有不一致的結(jié)論和認(rèn)識，所以也還不能提出精確描述多相流動(dòng)特征的模型，多相流總體的理論體系框架還很不完善，高精度、適用范圍寬、便于實(shí)際應(yīng)用的多相流技術(shù)還有待逐步發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法也還有發(fā)展空間［2］。

1 多相管流研究歷史及現(xiàn)狀

1.1 多相管流研究歷史

1949年，Lockhart-Martineli［3］首次提出利用經(jīng)驗(yàn)關(guān)系代數(shù)式來求解多相管流的流動(dòng)特性參數(shù)，直到上個(gè)世紀(jì)80年代，多相管流的學(xué)者都在探討較廣泛的流動(dòng)前提下，廣泛得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并利用統(tǒng)計(jì)學(xué)等數(shù)學(xué)的方法，得出相應(yīng)經(jīng)驗(yàn)或者半經(jīng)驗(yàn)的公式。其優(yōu)勢是計(jì)算簡單，在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)計(jì)算精度高，其缺陷是只適合在特定的條件下應(yīng)用。

此后研究學(xué)者們幾乎都將科研重心轉(zhuǎn)到了機(jī)理研究上，探究多相管流的物理特性，建立相應(yīng)數(shù)學(xué)物理模型，用數(shù)值方法簡化并利用計(jì)算器得出其解。Barnea［4］提出的統(tǒng)一流動(dòng)模型適用任意傾角下的流型判斷，并指出各種流型之間變化的規(guī)律。Taitel［5］的段塞流動(dòng)適用于任意傾角，根據(jù)質(zhì)量守恒定理得出單元段塞內(nèi)的平均持液率，根據(jù)動(dòng)量定理得出液膜區(qū)長度和一個(gè)段塞單元長度，根據(jù)作用力定理得出通過段塞單元的壓降。Alves［6］的統(tǒng)一環(huán)狀流模型在任意傾角均適用，發(fā)現(xiàn)環(huán)狀流和分層流流型有許多共同點(diǎn)，不同點(diǎn)是環(huán)狀流的氣芯在中，使氣液相界面間摩阻系數(shù)計(jì)算方式不同。Gozllez［7］的統(tǒng)一泡狀流數(shù)理模型能對泡狀流中的液體持液率進(jìn)行精確預(yù)測。統(tǒng)一流動(dòng)模型的優(yōu)勢是其精度較高，可以得到流型的流動(dòng)原理并且有更寬泛的適用性。

隨著多相管流的研究深入，研究者逐漸從研究現(xiàn)象向原理研究發(fā)展，因?yàn)檠芯慷嘞嗔鳈C(jī)理才可以真正抓住流型及各種流型變換的本質(zhì)。B.D.wood［8］等人對段塞流在下傾管中運(yùn)動(dòng)原理進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)下傾管為大傾角時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)段塞流，而僅僅在下傾角較小時(shí)，由于長波出現(xiàn)導(dǎo)致流型不穩(wěn)定才會(huì)出現(xiàn)段塞流。Taitel［9］等人對水平管、上傾管中產(chǎn)生段塞流的本質(zhì)進(jìn)行深入的分析研究，認(rèn)為多相管路的擾動(dòng)、管路傾斜角度的變化以及氣液兩相流量的變化等情況使管中出現(xiàn)Kelvin-Helmholtz小波的不穩(wěn)定現(xiàn)象是水平管和上傾管中易出現(xiàn)段塞流的本質(zhì)因素，使多相管流管內(nèi)流型發(fā)展，最終形成段塞流。

多相管流過程非常復(fù)雜，國內(nèi)外科研人員對多相管流進(jìn)行了大量研究，但存在的問題主要是多相管流問題在實(shí)驗(yàn)和原理方面尚存在不統(tǒng)一的認(rèn)識和結(jié)論，多相流的體系框架建立還不夠完善，適用范圍廣、精度高、實(shí)用性強(qiáng)的多相流實(shí)驗(yàn)性測試方法還有待研究，數(shù)值計(jì)算方法也還不夠成熟［10］。

1.2 多相管流研究現(xiàn)狀

到目前為止的研究現(xiàn)狀是：工程問題可通過實(shí)驗(yàn)研究得以解決，對特定問題理論上已有比較清晰的認(rèn)知，數(shù)值計(jì)算和數(shù)值模擬也已得到一定的發(fā)展。

當(dāng)前的發(fā)展趨勢是針對多相管道流動(dòng)基礎(chǔ)進(jìn)行探究，提出合理的數(shù)學(xué)物理模型進(jìn)行數(shù)值模擬，再用典型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果去檢驗(yàn)，完善其數(shù)學(xué)模型，令其能得到更全面的應(yīng)用。但目前數(shù)學(xué)模型工藝計(jì)算大都需借助經(jīng)驗(yàn)公式和半經(jīng)驗(yàn)公式得到，適用范圍十分局限。在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，經(jīng)驗(yàn)公式都擁有較好的準(zhǔn)確度，可推廣到實(shí)際工程情況時(shí)便會(huì)引起大的偏差，甚至完全錯(cuò)誤的結(jié)果［11］。

對于多相管流的參數(shù)計(jì)算，其核心內(nèi)容為流型的判斷、含液率及壓力梯度的計(jì)算。其中流型判斷、含液率計(jì)算是其根本，而最終目的是為了得到壓力梯度的計(jì)算方法。而多相管流的復(fù)雜性在于流型的不可確定性和多樣性、多相流各相間存在質(zhì)量及能量的交換和力的相互作用、界面不穩(wěn)定和隨機(jī)特性及流動(dòng)特性參數(shù)難以測量。所以相比于單相管流，多相管流的研究更加困難。

當(dāng)今石油化工中大部分兩相流分析都依賴于穩(wěn)態(tài)模型，完整的管路認(rèn)為是由多段上坡管及下傾管組成，氣液兩相的流量、流動(dòng)特性以及流型、壓降和含液率可利用經(jīng)驗(yàn)公式或機(jī)理模型得出。其中穩(wěn)態(tài)氣液兩相流的機(jī)理模型是基于氣液兩相的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程得出的，這些機(jī)理模型都與氣液兩相流的流型有關(guān)，對于段塞流，無論水平管、傾斜管和豎直管，學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究工作，Dukler和Hubbard［12］率先提出一種段塞流模型（圖1），此模型是一維模型，對每個(gè)段塞單元利用質(zhì)量和動(dòng)量守恒方程進(jìn)行求解，利用經(jīng)驗(yàn)公式得出段塞單元長度及速度等參數(shù)，其可靠性和準(zhǔn)確性很大程度上依賴于圈閉公式。

圖1 段塞流物理模型Fig.1 Physical model of slug flow

利用模型得到的計(jì)算結(jié)果一般不能直接用于實(shí)際多相管路計(jì)算，必須在壓力低、管徑小和輸量小得出的代數(shù)式加以修改，才可使之用于現(xiàn)場。

因此現(xiàn)在學(xué)者探究的方向有：

（1）各種不同的經(jīng)驗(yàn)公式在流型的判斷、計(jì)算含液率以及壓力梯度的預(yù)測方面各有優(yōu)劣勢及適用范圍，應(yīng)將各種經(jīng)驗(yàn)公式加以恰當(dāng)?shù)恼?，從而取得?yīng)用性更寬泛、更高精度的組合模型。

（2）探究各流型的多相管流流動(dòng)規(guī)律，研究得到不同流型相互之間轉(zhuǎn)化的條件，建立起轉(zhuǎn)化模型，求解不同流型下的數(shù)理方程。

（3）選用效果好的測試方法，研究建立起各種流型瞬態(tài)模型，得出求解各流型下瞬態(tài)模型的方法。

多相流本身非常復(fù)雜，在數(shù)值模擬方面提出更為合理的多相管流理論模型，基本控制方程與圈閉條件的結(jié)合，對比各種離散化方法，加快離散化方程求解速度、增強(qiáng)計(jì)算機(jī)程序強(qiáng)壯性等仍然是研究學(xué)者們不斷追求的方向。研究建立準(zhǔn)確度高的模型，不僅需要進(jìn)行更為精細(xì)的理論推導(dǎo)以及基礎(chǔ)物理的發(fā)展，而且還要體量更大的實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬數(shù)據(jù)。

由此多相流相關(guān)的CFD模型開發(fā)在石油化工領(lǐng)域中變得格外重要。多相管流數(shù)值模擬的方法可分為兩大方向：多流體模型法以及拉格朗日法［13］。

2 多相管流研究熱點(diǎn)

2.1 地形起伏多相管流研究

對于存在地形起伏多相管流探究，把在小管徑、低壓和低流量得出起伏段塞流的特性參數(shù)變化規(guī)律加以整理，擴(kuò)展到現(xiàn)實(shí)工程管路中是十分有意義的。段塞流動(dòng)的物理參數(shù)有很多，主要有液膜區(qū)的長度、單元段塞長度、液膜區(qū)含液率以及段塞流動(dòng)頻率等。目前對于段塞流這種流型形成的實(shí)質(zhì)機(jī)理，國內(nèi)外專家學(xué)者仍有許多不同的意見，尤其是對于關(guān)鍵物理參數(shù)的計(jì)算方面，目前對段塞流中的特性參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的模型有很多，然而均存在準(zhǔn)確度不高的特點(diǎn)，十分有必要得到更加完美的段塞流的數(shù)理模型來計(jì)算關(guān)鍵特性參數(shù)。

由于石油化工工程上的需要，現(xiàn)階段多相管流研究出現(xiàn)了由靜態(tài)模型研究轉(zhuǎn)型到瞬態(tài)多相管流模型的發(fā)展。穩(wěn)態(tài)、僅與空間位置有關(guān)的公式在瞬時(shí)改變條件下無法使用，又由于瞬態(tài)兩相流模型是基于各相基本的守恒方程，相界面之間的動(dòng)力學(xué)相互作用也是基于更為基礎(chǔ)的水平，所以這種模型的適用范圍更廣泛。所以得到瞬態(tài)多相管流模型十分有意義［14］。近些年水平管和傾斜管的瞬態(tài)兩相流模型逐漸發(fā)展起來。Ishii和Mishima［15］提出了在段塞流模型中計(jì)算一個(gè)拖動(dòng)系數(shù)和虛擬質(zhì)量力更加具體的分析了段塞流動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性，V De Henau［16］提出了一種計(jì)算段塞流流動(dòng)特性參數(shù)的瞬態(tài)模型考慮了拖動(dòng)系數(shù)和虛擬質(zhì)量力對段塞流的影響。瞬態(tài)多相管流模型建立的困難在于能否實(shí)時(shí)精確的得到各工藝參數(shù)，尤其是對流型和持液率的檢驗(yàn)以及求解。

2.2 多相管流的流型、壓力梯度及持液率研究

目前針對氣液兩相流的流型判斷以及壓力梯度的研究方面，在存在重力條件下的水和空氣的兩相管流流型及流型圖的研究及壓力梯度計(jì)算已經(jīng)十分透徹，但是面對小尺度的微管或者非常規(guī)管道形狀以及流體物性差異帶來的在管內(nèi)氣液兩相流的流型和壓力梯度的研究就十分有限。

流型研究方面，王樹眾［17］對空氣-油在垂直下降管中的流型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，表明油氣兩相流的流型不同于低粘液體的兩相流流動(dòng)并且流型與液體的粘度密切相關(guān)。Wolk［18］研究了鉛直向上的當(dāng)量直徑為6mm的非圓形截面管道中的流型變化情況，完善了非常規(guī)管道形狀管道各流型轉(zhuǎn)換的所需參數(shù)值。

壓力梯度研究方面，Dziubimsk［19］通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)非牛頓流體與氣體一塊輸送的能大大減小平均壓力梯度，并提出了半理論半經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算壓力降的方法。Zhao［21］模擬航天器的微重力條件下的空氣-水兩相管流壓力梯度，實(shí)驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn)影響氣液兩相流壓力梯度的主要因素并非重力。

持液率研究方面，Cai［22］通過對油氣的混合物處于泡狀流和彈狀流這兩種流型情況下在鉛直管內(nèi)向下流動(dòng)的持液率進(jìn)行研究并得出相應(yīng)規(guī)律。Hewitt［20］通過對油、氣、水三相在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)的持液率進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：隨著管道內(nèi)持液率變化規(guī)律與油氣水三相的比例有關(guān)，持液率隨水相上升首先會(huì)不斷上升，最終達(dá)到一個(gè)峰值再快速降低。

3 多相管流在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用

在油氣田的集輸過程中，經(jīng)常采用多相管流的方式輸送。由于陸地上油氣資源有限性，使人們將視野逐步轉(zhuǎn)向深海、荒漠等地區(qū)。采用多相混輸投資少、運(yùn)行費(fèi)用低，相對單相管路優(yōu)勢明顯，多相管輸逐漸成為油氣儲運(yùn)中常見的運(yùn)輸方式之一［23］。

石油工程方面，大量學(xué)者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和理論研究工作，獲得了在水平井中的油-氣兩相管流持液率、壓力梯度以及流體的流出狀況，最終才將水平井開采技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際。

油氣混輸過程中會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的段塞流情況，如果出現(xiàn)嚴(yán)重的段塞流工況，出口的設(shè)備運(yùn)行工況變化劇烈，可能導(dǎo)致由于設(shè)備無法正常運(yùn)作，影響到油氣產(chǎn)能。為了確保混輸管道在不同實(shí)際工況的正常平穩(wěn)運(yùn)行，Minami［24］通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對清管通球過程進(jìn)行了研究，提出的清管器運(yùn)行模型能預(yù)測清管壓力、清管速度、持液率等參數(shù)，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際測得值吻合的很好。

流化床在化工領(lǐng)域廣泛使用，其中的三相流化床作為一種關(guān)鍵的化工反應(yīng)器也有著不可比擬的地位。因此針對三相流化床的研究十分廣泛。Gavery［25］針對流化床中的泡狀流動(dòng)過程進(jìn)行研究，分析多種參數(shù)對其的泡狀流動(dòng)的影響。

4 結(jié) 語

多相管流的研究涉及到物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科交叉，難度很大。因?yàn)槎嘞喙芰髟谑突ゎI(lǐng)域中的內(nèi)容十分繁雜，探討范圍很寬，沒辦法一一進(jìn)行詳盡舉例，本文中所探討的內(nèi)容是目前為止石油化工方面多相管流研究的歷史、現(xiàn)狀、熱點(diǎn)及應(yīng)用，每個(gè)研究方向的文獻(xiàn)都十分的豐富，本文只列出討論領(lǐng)域較為經(jīng)典的參考文獻(xiàn)進(jìn)行說明，讓讀者對多相管流有個(gè)初步的了解和認(rèn)知，為日后研究多相管流提供一定的指導(dǎo)和借鑒。

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Review and Application of Multiphase Pipe Flow in Petrochemical Industry

WANG Qi-lai
（China University of Petroleum， Beijing 102249，China）

Abstract:Multiphase pipe flow is widely used in petrochemical industry， but the researchers at home and abroad do not form a unified understanding of multiphase pipe flow mechanism in experiment and theory. In this article，correlational researches of multiphase pipe flow were investigated and systemized； the developing history， research progress of multiphase pipe flow were introduced， then the research highlights of multiphase pipe flow in recent years were presented. Finally， application of multiphase pipe flow in petrochemical industry was discussed.

Key words:Multiphase pipe flow； Petrochemical industry； Research highlights； Application

中圖分類號：TE 832

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-0460（2016）02-0345-03

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：王祺來，男，浙江杭州人，2014年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）油氣儲運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：長距離管道多相流動(dòng)研究工作。E-mail：396172717@qq.com。