水管内汽液两相流压降计算研究

陈敏

摘 要：针对汽液两相流流型复杂、机理研究不成熟等特点，筛选了均相法、Dukler法和Beggs-Brill法三种方法计算两相流压降，并结合现场实例，在给定热强度条件下，利用软件对水管内汽液两相流流动过程进行模拟和分析，三种方法计算结果表明，均相法计算压降最大，Dukler法次之，Beggs-Brill法最小。

关键词：汽液；两相流；压降；计算

中图分类号：TQ021 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）05-0251-02

0 引言

汽液两相流是石油化工设备中常见的工况，对汽液两相流的研究远不及单相流成熟，形成的理论只是一定范围内的经验式或半经验式。

汽液两相流动的主要理论模型[1]有两类：均质流动模型和分离流动模型。汽液两相流压降是两相流研究的一项重要内容，两相流压降的计算比单相流复杂，两相流相界面具有不均匀性使得单相流动压力降的计算方法不能直接用于存在相变化的过程。

由于汽液两相流动不单受流速变化的影响，而且随着汽液两相比例的变化，会出现多种流型，不同的流型对压降的影响不同，主要是由于在流动中汽液间有相对运动，流型不同所产生的相对运动程度不同，因而产生的滞流量也不同。滞流量相当于有一部分液体停留在管路中，占据了一部分管路的截面积，相应改变了汽液相流速，对压降的影响较大。为了计算汽液两相流的摩擦压降，需要有划分流型的图或关联式，从而建立起滞留量与压降计算的关联式。两相流动中压降计算方法，根据各人不同的实验条件，已发表的经验关联式约有30余种。

1 两相流压降计算方法

由于汽液两相流系统本身复杂，至今两相流动过程的基本机理仍然不清晰，所提供的计算方法均属经验关联式或半经验关联式，应用上有较大的局限性。而且，两相流动过程中由于位置不同（水平、垂直或倾斜）其流动特性也有较大差别，提供的计算方法也不完全相同。通过对公开发表的模型精度筛选、考察，使用均相法、Dukler法和Beggs-Brill法三种方法计算两相流压降。均相法把汽液两相作为单相处理，Dukler法考虑了汽液两相之间的相对运动，既适用于水平管，又适用于垂直管，准确性也比较好，在炼油工业应用较广；Beggs-Brill法考虑了持液量的影响，计算也比较简单，对水平管和垂直管均适用。

1.1 均相法

均相法是将两相流当作单相流的计算方法，即假设汽液两相之间不存在相对运动，忽略滞留量对压降的影响。根据这些假设，均相法可以采用范宁公式计算摩擦压力降，流速、密度和粘度均采用汽液两相的混合流速、混合密度和混合粘度。对于高气速的雾状流和高液速的分散气泡流，均相法的计算误差比较小，但是对于其他流型，均相法只能作为一种初步的估算。

1.2 Dukler法

Dukler法是在大量的实验数据的基础上，通过相似分析法得出摩擦压降的关联式，其中持液量的求取方法采用Hughmark法。該方法的计算过程比较简单，适用范围比较广，既适用于水平管，又适用于垂直管，而且准确性也比较高。

1.3 Beggs-Brill法

虽然均相法和Dukler法的应用比较多，但是Masud Behnia通过对几种常用的关联式计算结果与两相流管内压降实测值的比较发现，Beggs-Brills关联式的平均误差最小[2]，Dukler关联式居第二位[3]。

2 压降计算结果及分析

2.1 基础数据

布置6根水管，其中前三根水管规格为φ42×5×15000，后三根水管扩径，炉管规格为φ48×5×15000，软件使用逐段计算法，将每根水管分5节计算，水管粗糙度为0.5mm，水管出口弯头当量长Lef/di取值为100，管间距S/do为2；工艺条件：水流量为200kg/h，入口温度为170℃，压力2.0MPa，详细参数见表1。

2.2 计算结果

指定水管平均表面热强度，根据表1中给定的已知结构和工艺数据，分别使用均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三种方法计算水管压降。

2.2.1 实例1

指定水管汽化段平均表面热强度为10kW/m2，气体段表面热强度为1kW/m2作为已知条件，利用软件对水管内汽液两相流流动过程进行模拟，三种压降计算方法结果汇总参见表2。

200kg/h，170℃，2.0MPa的水进入水管后，水管出口计算结果为：

（1）使用均相法计算得到的出口压力为1.99135MPa，水管进出口总压降为0.00865MPa；（2）采用Dukler法计算得到的出口压力为1.99139MPa，水管进出口总压降为0.00861MPa；（3）通过Beggs-Brill法计算得到的出口压力为1.99495MPa，水管进出口总压降为0.00505MPa。

均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三种方法计算压力结果沿水管长度变化的详细结果参见表3。

2.2.2 实例2

指定水管汽化段炉管表面热强度为30kW/m2，气体段炉管表面热强度为3kW/m2作为已知条件，利用软件对水管内汽液两相流流动过程进行模拟，三种压降计算方法结果汇总参见表4。

温度170℃，压力为2.0MPa，流量200kg/h的水进入水管后，出口压力及炉管压降结果为：

（1）使用均相法计算得到的出口压力为1.9789MPa，水管进出口总压降为0.0211MPa；（2）采用Dukler法计算得到的出口压力为1.9872MPa，水管进出口总压降为0.01281MPa；（3）通过Beggs-Brill法计算得到的出口压力为1.9895MPa，水管进出口总压降为0.0105MPa。

均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三种方法计算压力结果沿水管长度变化的详细结果参见表5。

2.3 结果分析

实例1和实例2计算结果均表明：均相法计算得到的压力降低的最快，压降最大，Dukler法次之，Beggs-Brill法最小。

分析认为，在相同条件下均相法、Dukler法、Beggs-Brill法三种压降计算方法得到的压降不同，主要是由于计算模型的假设不同：

（1）均相法把汽液两相作为单相处理，压降计算公式中的密度、粘度等物性参数采用汽液两相的混合性质，没有考虑汽液两相的相对运动和滞留量对压降的影响，作为单相处理的压降计算结果与实际两相流压降误差相对较大。（2）Dukler法既考虑了汽液两相间相对运动，又考虑了滞留量影响。（3）Beggs-Brill法考虑了滞留量对压降的影响。

3 结语

（1）针对汽液两相流特点，筛选了均相法、Dukler法和Beggs-Brill法三种方法计算两相流压降。（2）在给定热强度条件下，利用软件对水管内汽液两相流流动过程进行模拟和分析，分别使用均相法、Dukler法、Beggs-Brill法计算压降，并对结果做对比分析，结果表明，均相法求得的压降最大，Dukler法次之，Beggs-Brill法最小。（3）鉴于汽液两相流的一些机理还不是很清楚，提供的三种压降计算方法都是一定范围内的经验关联式，具体哪种方法更接近实际，还需要更深入的考察和研究。

参考文献

[1] 黄鸿鼎，冯亚云.两相流动中的压强降计算[J].化学工程，1982：42-43.

[2] Beggs H D，Brill J P. A Study of Two-Phase Flow in Inclined Pipes JPT. Multiphase Flow，1973，5（3）：607-617.

[3] Behnia M. Most accurate two-phase pressure-drop correlation identified. Oil & Gas Journal，1991，12（4）：90-95.