水平及倾斜圆管中油水两相分层流界面波对摩擦压降的影响

（论文部分内容摘抄）

油水两相流在重力和界面张力共同作用下发生分层,由于剪切应力的作用,在管道流动中产生摩擦压降,油水两相分层流在流动参数改变时产生界面波,其对摩擦压降产生影响。实验研究水平和倾斜管道油水两相波状分层流界面波特性及其对摩擦压降的影响,并改进一维双流体模型预测摩擦压降。研究结果表明,管道倾角增加时油水两相分层流界面波振幅增大,其对摩擦压降的影响也随之增强,改进的考虑界面波振幅的模型在不同管道倾角中的摩擦压降预测结果与实验数据吻合好。

分层流是水平和倾斜管道中两相流的基本流型,而波状分层流由于界面发生波动而产生界面波增加流动的复杂性。油水两相流实验研究表明,油水两相流管道从水平变成倾斜时,油水两相分层流达到的比较大流速减小,油水界面变得更加起伏和不规则!

油水两相波状分层流在相同流量和含水率下随着管道倾角改变而发生界面波振幅改变,但现有文献包括实验和数值模拟研究没有考虑界面波对摩擦压降的影响。本文利用实验中测量得到的不同倾角中的界面波和压降,研究油水两相波状分层流界面波对摩擦压降的影响。

实验过程中通过控制系统设定管道倾角,给定油水两相混合流量以及含水率,由计算机和自动控制系统进行流动控制。油水两相分层流动特征采用高速摄像系统进行数据采集,试验测试段总压降使用差压计测量和记录,管道截面持油率利用快关阀技术进行采集得到。

高速摄像系统，采用的德国Excelitas PCO 公司的pco.dimax高速相机，曝光短快门为1μs，拍摄条件为512像素x 512像素，拍摄速度为5000fps。试验开展了4种管道倾角θ分别为0°、3°、5°和10°的油水两相分层流动特性研究。每次试验在流动稳定达到5min后进行压降测量和流动特征图像采集以及截面持油率。测量,为消除系统和随机误差,每前列动重复2次试验。

油水两相流动的总压降由摩擦压降、重力压降和加速压降组成,在常温流动中可以忽略加速压降水平管道中由于重力垂直管道,因而摩擦压降即为总压降;当管道发生倾斜时摩擦压降为总压降与重力压降之差。油相两相波状分层流摩擦压降的产生是由于流体存在剪切应力,而剪切应力由流速、管径、黏度、管壁粗糙度和两相接触面积等参数决定。

(1)油水两相分层流在重力、表面张力和湍流共同作用下产生界面波,在水平和3°上倾管道中，界面波振幅随着人口流量的增加而增大:在5°和10°上倾管道中界面波振幅随流量增加而变化微小但随截面持油率降低而减小。随着管道倾角增加，其对界面波振幅的影响增大。

(2)油水两相波状分层流摩擦压降随流量增加而增大;在中高持油率时,随着管道倾角增加,摩擦压降增大。流量较低时,摩擦压降受管道倾角影响,表明油水两相界面波振幅对摩擦压降的影响较大。

(3)基于油水两相界面波振幅,表明考虑管道倾角和界面持油率对界面波振幅影响的改进模型能够更加精确地预测油水两相分层流摩擦压降。

德国Excelitas PCO 公司的pco.dimax高速相机，具备高分辨率、高感光度、高帧率的优点，将高速实验过程完美记录，为实验提供强而有力的图像数据支持。

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