Структурные формы двухфазных потоков

 

Двухфазные потоки характеризуются наличием различных структур­ных форм течения, под которыми подразумевается, главным образом, ха­рактер распределения газа в жидкости при их совместном движении в трубопроводе. Структурные формы газожидкостного потока очень разнооб­разны и зависят от скорости смеси, расходного газосодержания, физичес­ких свойств газовой и жидкой фаз, диаметра и угла наклона трубопровода. В результате многочисленных экспериментальных исследований выделе­ны следующие основные структуры газожидкостных потоков в трубах (рис. 3.1):

 

Рис. 3.1. Структурные формы газожидкостного потока

а- расслоенная с плоской границей раздела;

б- расслоенная с криволинейной границей раздела;

В- пузырьковая; г- пробковая; д- кольцевая; е- эмульсионная

 

а) пузырьковая и эмульсионная, характеризующиеся движением в жидкости пузырьков газа;

б) расслоенная, характеризующаяся послойным движением газа и жидкости с четкой гладкой или волновой поверхностью раздела;

в) пробковая (снарядная, четочная), характеризующаяся чередова­нием жидкостных и газовых пробок различных размеров;

г) кольцевая (пленочная, пленочно-дисперсная), характеризующая­ся течением основной массы жидкости по стенке трубы в виде жидкостно­го кольца, внутри которого с высокой скоростью движется газовое ядро, содержащее капли жидкости.

 

Поток со взвешенными в нем пузырьками наблюдается при неболь­ших β. При малых скоростях смеси пузырьки расположены, в основном, вблизи верхней образующей трубы.

С увеличением скорости происходит дробление и перемешивание пузырей, и при скорости более 2 м/с они равномерно распределяются в жидкости. Такая структура называется эмульсионной.

При скоростях смеси менее 0,2 м/с и больших газосодержаниях в ре­зультате слияния пузырей друг с другом образуется непрерывная газовая фаза, т.е. раздельный поток, расслоенная структура. Если скорости пере­качки небольшие, то граница раздела фаз гладкая. Увеличение скорости смеси приводит к образованию гравитационных волн на границе раздела фаз. Амплитуда волн увеличивается пропорционально росту скорости смеси. При определенных условиях волны полностью перекрывают сече­ние трубы, а поток переходит в пробковый, когда газовые и жидкостные пробки чередуются друг с другом. С увеличением газосодержания смеси при постоянной скорости размеры газовых пробок увеличиваются, а жид­костных - уменьшаются. В конце концов жидкостные пробки как бы раз­мазываются по стенке трубы, а газовая фаза, содержащая капли жидкости, движется в центре, т.е. формируется кольцевая структура газожидкостно­го потока.

Нетрудно видеть, что различные структуры взаимосвязаны и пере­ходят одна в другую при изменении условий течения (за счет выделения растворенного газа по мере падения давления в трубопроводах, измене­ния площади сечения труб и их наклона к горизонту и т.д.). На рис. 3.2 в качестве примера приведены карты распределения структур газожидкос­тной смеси в горизонтальных трубах диаметром 0,05...0,3 м (по А.И. Гужову), иллюстрирующие отмеченные выше закономерности.

Гидравлический расчет трубопроводов для перекачки

Газожидкостных смесей

 

Экспериментально установлено, что для практического расчета тру­бопроводов удобно объединить ряд структурных форм потока, оставив только три: расслоенную, пробковую и кольцевую. В слабонаклонных и горизонтальных трубопроводах могут реализовываться все три структурные формы двухфазного потока, а в восходящих - только пробковая и коль­цевая.

Экспериментальными исследованиями ВНИИГаза установлено, что смена расслоенной структуры потока пробковой происходит при превы­шении числа Фруда смеси

 

(3.12)

 

где - коэффициент гидравлического сопротивления при без­напорном течении жидкости в участке трубопровода, наклоненном под углом α к горизонту.

Критерием смены пробковой структуры потока кольцевой является параметр

(3.13)

 

Граничные значения этого параметра вычисляются по формуле

 

(a _w -0,017 ·μ ) · 10 ^{(5,3 +115 μ )·(1-β)}, (3.14)

где a_w - коэффициент, зависящий от характера наклона трубопро­вода; при восходящем течении a_w = 0,82, а при нисходящем a_w = 2,2;

μ_* - отношение динамической вязкости газов к динамической вяз­кости жидкости.

При W * > имеет место кольцевая структура течения, а при W * < - пробковая.

 

Для каждой структурной формы потока установлены свои законо­мерности изменения истинного газосодержания и перепада давления.

При расслоенном течении двухфазной смеси потери давления на трение находятся по формуле

 

(3.15)

где - коэффициент гидравлического сопротивления при тече­нии газового потока над жидкостью;

θ - центральный угол между радиусами, проведенными в точки касания поверхности раздела фаз со стенкой трубы.

Истинное газосодержание расслоенного потока в трубах с углом наклона от 1 до

10 ° к горизонту находят по формуле, полученной во ВНИИ-Газ

(3.16)

1-χ^0,4при 0 < χ < 0,18   0,615· (1-χ) при 0,18 < χ < 1

φ =

 

где χ - безразмерный параметр, равный χ = 0,352λ_жFr_см/sin α.

 

При пробковой структурной форме двухфазного потока гидравли­ческий уклон вычисляется по формуле

(3.17)

где коэффициент гидравлического сопротивления вычисляется по зависимости

= λ · ψ. (3.18)

Здесь λ - коэффициент гидравлического сопротивления, вычисляе­мый по параметрам смеси как однофазного потока;

ψ - приведенный коэффициент гидравлического сопротивления, учи­тывающий особенности течения пробкового потока (ψ > 1).

Истинное газосодержание пробкового потока находят как φ = К·β, (3.19)

где К - коэффициент пропорциональности, равный

 

K =

 

- автомодельное число Фруда, начиная с которого увеличение не приводит к изменению величины К.

Кольцевая структура потока при промысловом сборе нефти (конден­сата) и газа не встречается.

Расчет потери давления на преодоление разности нивелирных высот двухфазным потоком в рельефном трубопроводе имеет некоторые особен­ности.

Пусть имеет профиль трубопровода, изображенный на рис. 3.3.

На восходящих участках трубопровода имеет место пробковая струк­тура потока, а на нисходящих - расслоенная, переходящая в пробковую.

Общие потери давления на преодоление разности нивелирных вы­сот найдем, суммируя их по участкам

 

Δp_z = p_см · g · [(z₁ – z_H) +(z₂-z_cl)+(z₃-z₂)+(z₄-z_c2)+(z₅-z₄)+(z₆-z_c3)+(z₇-z₆)+(z_K-z_c4)] (3.20)

 

 

Раскрывая скобки, после сокращения слагаемых с разными знаками и перегруппировки оставшихся членов будем иметь

Δp_z = p_см · g · [(z_K – z_H) +(z₁-z_cl)+(z₃-z_c2)+(z₅-z_c3)+(z₇-z_c4)] = p_см · g ·

 

(3.21)

где p_см - плотность смеси на участке с пробковым течением; Δz - разность нивелирных высот конца и начала трубопровода, Δz = z_k –z_H;

- сумма перепадов высот на участках с расслоенной структурой потока.

 

Таким образом, при перекачке двухфазных потоков потери давления на преодоление разности нивелирных высот профиля зависят в общем случае от длины участков с расслоенной структурой потока, а значит - от скорости смеси в трубопроводе.

Потери давления на трение в двухфазных потоках больше, чем при перекачке того же количества одной жидкости. Это связано с тем, что кро­ме трения о стенку трубы энергия расходуется на волнообразование, фор­мирование газовых пробок, дробление газовой фазы.

Рис.3.3. Схема к определению перепада давления на преодоление разности высот профиля газожидкостным потоком