3.7.3 气液两相流及其流量测量

(1)   气液两相流及其流动结构  液体及其蒸汽或组分不同的气体及液体一起流动的现象成为气液两相流。前者称为单组分气液两相流，后者称为多组分气液两相流。气液两相流在动力、化工、石油、冶金等工业设备中是常见的，在流动时气相和液相存在流速差，在测量流量时应考虑此相对速度。

气液两相流按流动方向不同，存在多种流动结构。图3.86所示为垂直上升管中的气液两相流动结构；图3.87所示为垂直下降管中的气液两相流动结构；图3.88所示为水平管中的气液两相流动结构。

①             垂直上升管中的气液两相流动结构。实验研究证明，在垂直上升管中的气液两相流动，其基本结构有下列五种：细泡状流动结构、弹状流动结构、块状流动结构、带纤维的环状流动结构和环状流动结构。

图3.86垂直上升气液两相流的流动结构

(a)细泡状流动结构；(b)弹状流动结构；（c）块状流动结构；(d)带纤维的环状流动结构；(e)环状流动结构

这五种流动结构分别具有下列特点。

a.       细泡状流动结构。细泡状流动是最常见的流动结构之一，其特征为在液相中带有散布的细小气泡。直径小于1mm的气泡是球形的，直径大于此值的气泡，其外形是多种多样的。

b.      弹状流动结构。弹状流动结构由一系列气弹组成，气弹端部呈半球状，而尾部是平的，在两气弹之间夹有小气泡，气弹与管壁之间的液膜是往下流动的。

c.       块状流动结构。块状流动结构是由于气弹破裂而形成的，此时，气体块在液流中以混乱状态进行流动。

d.      带纤维的环状流动结构。在带纤维的环状流动结构中，管壁上液膜较厚且含有小气泡，被中心部分气核从液膜带走的液滴在气核内形成不规则的长纤维形状，这种流型常在高质量流速时出现。

e.       环状流动结构。在环状流动结构中，管壁上有一层液膜，管道中心部分为气核，在气核中带有因气流撕裂管壁液膜表面而形成的细小液滴。

图3.87垂直下降气液两相流的流动结构

(a)细泡状流动结构；(b)弹状流动结构；(c)带下降液膜的环状流动结构；（d）带含泡下降液膜的环状流动结构；（e）块状流动结构；(f)环状流动结构

②垂直下降管中的气液两相流动结构。从图3.87所示的气液两相流在直管中垂直向下流动时的流动结构可以看出，气液两相作垂直下降流动时的细泡状流动结构和作垂直上升流动时的细泡状流动结构不同，前者细泡集中在管子核心部分而后者则散布与整个管子截面上。当液相流量不变而使气相流量增大，则细泡将聚集成气弹，形成具有下降弹状流动结构的气液两相流。垂直下降气液两相流也可形成下降流动的环状流动结构。当气相及液相流量小时，管壁上有一层向下流动的液膜，管子中心部分为向下流动的气核，这种流动结构称为带下降液膜的环状流动结构。如液相流量增大，气泡将进入液膜，形成带含泡下降液膜的环状流动结构。当气液两相流量都增大时会出现向下流动的块状流动结构。当气相流量继续增大，气液两相流可具有管壁上有下降液膜，管子中心部分为带液滴的下降气核的环状流动结构，这种环状流动结构和垂直上升气液两项流的环状结构相近，但流动方向相反。

③水平管中的气液两相流动结构。气液两相流体在水平管中的流动结构比在垂直管中更为复杂，其主要特点为所有流动结构都不是轴对称的，这主要是由于重力的影响使较重的液相偏向于沿管道下部流动造成的。

实验研究表明，气液两相流在水平管中流动时，其基本流动结构有下列六种：细泡状流动结构、柱塞状流动结构、分层流动结构、波状流动结构、弹状流动结构和环状流动结构。

图3.88是这些流动结构的示意。由图可见，这些流动结构分别具有下列特点。

图3－88水平气液两相流的流动结构

a.           细泡状流动结构。水平管中的细泡状流动结构和垂直管中的不同，由于重力的影响，细泡大都位于管子上部。

b.          柱塞状流动结构。当气相流动增加时，小气泡合并成气塞，形成柱塞状流动结构。柱塞倾向于沿管子上部流动。

c.           分层流动结构。当气液两相流量均小时会发生分层流动结构。此时气液两相之间存在一平滑分界面，气液两相分开流动。

d.          波状流动结构。当气相流量较大时，气液两相分界面上会出现流动波，形成波状流动结构。

e.           弹状流动结构。当气相流量再增大时，气液两相流的流动结构可以从波状转变为弹状流动结构。此时，气液分界面由于剧烈波动而在某些部位直接和管子上部接触，将位于管子上部的气相分隔为气弹，形成弹状流动结构。在水平流动时，气液两相流的气弹都沿管子上部流动。

f.            环状流动结构。在水平流动时，气液两相的环状流动结构出现于气相流量较高的工况。水平流动时的环状流动结构和垂直上升时的环状流动结构相近，管壁上有液膜，管子中心部分为带液滴的气核，但由于水平流动时重力的影响作用，下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。

  在油田常经分离设备将液气分离，然后分别测液相和气相流量。

（2）气液两相流体的流量测量方法  从制造商提供的资料可看出，有几种仪表可用来测量离散相浓度不高的两相流体的流量，来自用户的报道也有一些成功应用的实例，但目前使用的流量计都是在单相流动状态下评定其测量性能，现在还没有以单相流标定的流量计用来测量两相流时系统变化的平定标准，因此这样的应用究竟带来多大的误差还不很清楚，仅有一些零星的数据和一些定性的分析。

①电磁流量计。当液体中含有少量气体时，气体在液体中的分布呈微小气泡状，这时，电磁流量计仍能正常工作，只是所测得的为气液混合物的体积流量。当液体中所含气体数量增加后，气泡几何尺寸逐渐增大，进而向弹状结构过渡。当气泡的尺寸等于和大于流量计电极端面尺寸并从电极处掠过时，电极就有可能被气体盖住，使电路瞬时断开，出现输出晃动，甚至不能正常工作。

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