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):

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 b. 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 l_ж - коэффициент гидравлического сопротивления при безнапорном течении жидкости в участке трубопровода, наклоненном под углом a к горизонту.

Критерием смены пробковой структуры потока кольцевой является параметр

. (3.13)

Граничные значения этого параметра вычисляются по формуле

, (3.14)

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

m_* - 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 l_г - коэффициент гидравлического сопротивления при течении

газового потока над жидкостью;

q - 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 ^о к горизонту находят по формуле, полученной во ВНИИГаз

, (3.16)

где c - безразмерный параметр, равный .

При пробковой структурной форме двухфазного потока гидравлический уклон вычисляется по формуле

, (3.17)

где коэффициент гидравлического сопротивления l_см вычисляется по зависимости

. (3.18)

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

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

Истинное газосодержание пробкового потока находят как

, (3.19)

где К - коэффициент пропорциональности, равный

;

Fr_a - автомодельное число Фруда, начиная с которого увеличение Fr_см 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

. (3.20)

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

(3.21)

где r_см - плотность смеси на участке с пробковым течением;

Dz - разность нивелирных высот конца и начала трубопровода,

Dz = z_k -z_н;

- 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.