冲击型T形管处气液两相流分流特性研究进展

马立辉，何利民，米祥冉，陈舒炯，李晓伟

（1 中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院，山东省油气储运安全省级重点实验室，山东 青岛 266580；2 中国石油国际勘探开发有限公司，北京 100034）

气液两相流动在采油、化工和核电等许多系统中都经常出现。在这些领域中，通常将气液两相流分为两个或多个分支。当气液两相流通过分配器如T形管时，两相的不均匀分配经常发生。不均匀分配通常有两种含义：一种是流量分配的不均匀[1]，另一种是分支管路中气液比的不同[2]。因此，相关的研究有两种不同的侧重点。在以往的研究中对分支管路中气液比是否相同研究较多，但是对分支管路中气液两相流量是否均匀分配的研究相对较少。一方面气液两相流严重的分配不均匀，对下游设备的安全性和运行效率有着显著的影响。例如，在换热器的蒸发器中，由于气液两相分配的不均匀，平行通道中可能会意外发生干涸现象。在一系列重力分离器中，油气两相分布不均匀会导致分离效率低和液位控制难等问题。另一方面，利用T形管处的相分离作用，可以使T形管成为一种简单的气液分离器[3]，在某种程度上可以分离气体和液体两相。然而，由于气液两相流的复杂性，人们对气液两相流的分流机理的认识还很薄弱。因此，T形管处的气液两相流分流性能一直是多相流研究的热点和重点。

在油气管网中不同用途的T 形管可以分为两种：一种是汇流型T 形管，另一种是分流型T 形管。根据入口流动相对于出口流动的方向，将T形管分为两种类型，即分支型T 形管和冲击型T 形管，如图1所示。对于分支型T形管，其中一个出口的方向与入口的方向相同，另一个出口的方向与入口的方向相互垂直。对于冲击型T形管，两个出口的方向相反，且都垂直于入口方向。在小管径或微通道中，由于表面张力等因素的影响（这种影响在宏观尺度的T 形管中可以忽略不计），两相流具有不同流动特性[4]。本研究主要针对内径大于10mm的宏观等边冲击型T形管。

在过去几十年里，关于T形管处气液两相流的分流特性的实验研究和模型建立已经有了大量报道。影响气液两相流分流的因素有很多，如交界处的几何形状、气液流速、两相流的流型、分支管路的方向、交界处的内部结构、流体的性质、管道的尺寸、系统压力以及管道下游的阀门和立管等部件都会对其造成影响。

对于分支型T 形管，Azzopardi[2]对78 篇文献进行了全面的回顾，并总结出了来流管中的气液两相流型对T 形管处的分流状况具有很大的影响。Azzopardi和Whalley[5]对主管路为垂直向上、分支管路为水平方向的管路进行实验，结果得出对于环状流和搅浑流，液相优先进入到支管中，而对于气泡流，气相优先进入到分支管路中。Rea 等[6]对完全水平的管路进行了实验，分层流在液相流速较高的情况下，分支管路中两相混合物主要以气相为主，在液速较低的情况下，支管中两相混合物主要以液相为主。段塞流可看作分层流区域与液塞区域的组合，分层流区域与前面所述分流情况相同，而对于液塞区域，液相更倾向于进入到分支管路中。当来流管路为水平管路而分支管路向上倾斜的时候，重力对T形管处气液两相分流产生很大的影响，分支管路中有液相排出之前往往有大量气相先排出，而分支管路向下倾斜时，气液两相排出恰恰相反。分支管路向上或者向下有着良好的气液分离效果，将其用作一种简单的分离器研究其分离性能成为近些年研究的热点。以往对于分支型T形管的研究已经相对成熟，但是对于冲击型T 形管的研究相对较少。本文对冲击型T形管处气液两相流分布不均匀的实验、数值模拟和理论模型进行全面的回顾，以期加深对这种现象的理解和建模。

1 冲击型T形管实验

与分支型T形管相比，冲击型T形管具有更好的两相流分配性能。对于冲击型T形管处的相分布在以往的文献中已经有所研究。表1总结了以往关于影响气液两相流在冲击型T形管处分流特性的一些研究成果，所采用的两相混合物为空气-水、氮气-水和蒸汽-水。

表1 两相流冲击型T形管实验研究

1.1 水平冲击型T形管（α=0°，β=0°）

大部分研究是在水平冲击型T 形管下进行的，一般的结论是，只要质量分流比为0.5 或者两个分支管路出口质量流量相同[24]，冲击型T形管处就不存在气液两相流分配不均的情况。气液两相流在水平冲击型T形管处的分流状况受下游管路结构影响较大[25]。El-Shaboury等[17]研究了稳定两相流（分层流、波浪流和环状流）在冲击型T形管处的分流情况。Alvarez等[18]进行了段塞流实验。这两项研究表明，将下游设备保持在相同的条件下运行，气液两相流始终处于均匀分配的状态，与入口的流型无关。Alvarez等[26]在环状流的条件下对两根出口管路的阀门进行调节，使其处于不同的开度，则两根分支管路中所流入的流量并不相同，且气相的偏流程度远远大于液相。米祥冉等[27]研究了段塞流从单管流入并联分离器的分流特性。实验结果表明，分离器气相出口的管路条件对称，则段塞流在两台分离器中的分流结果为等流量分配。如果调节两个分离器气相出口的开度，则与Alvarez 等的实验结果类似，但是气相的偏流程度小于环状流条件下的偏流程度。Mohammadikharkeshi 等[28]研究了水平冲击型T形管处段塞流消耗实验，实验同样表明，当液塞经过T形管时，液塞的长度在两根分支管路中均匀分配。Dabirian 等[29]在冲击型T 形管后接有两根管径不同的分支管路，实验结果表明，当下游分支管路的管径不同时，对气液两相流的均匀分配产生了严重影响。所以保证气液两相流均匀分配办法是保持下游设备的一致性，包括管路的管径、管路的长度、分离器的尺寸和各个阀门的开度。

如前文所述，文献中对于等气液比的分配研究多于对等流量分配的研究。El-Shaboury等[30-31]对冲击型T 形管处气液两相分流特性的文献进行了总结，详细地讨论了入口处气体表面速度、液体表面速度、质量和压力的影响。一个新的参数——动量通量比被提出，以此来解释气液两相流的分流行为。动量通量比的定义如式(1)。

分层流和波状流的相分配曲线如图2所示，图中给出了流型、入口质量和动量通量的比值。从图中可以看出，数据存在一个连续的趋势，随着入口质量的增加，图中曲线围绕点（0.5，0.5）逆时针转动，在分层流和波状流之间也是连续的。对于动量通量比，在各个流型中存在一个连续的趋势，而在两种流型间是不连续的。El-Shaboury 将其归因于计算过程中使用的持液率值不准确，或除了动量通量比之外，还存在影响相分布的其他影响因素。

图2 分层流和波状流的相分配曲线[30]

Mohamed等[32]研究了管径和系统压力对气液两相流在冲击型T形管处的影响。实验表明，在整个测试范围内，管径对相分布的影响很小。另一方面，在较小的入口速度下，系统压力对气液两相的分流有显著的影响，但是随着入口速度的增加，这种影响逐渐减小。

1.2 竖直冲击型T形管（α=90°,β=0°）

对于垂直冲击型T 形管，实验数据非常有限。Azzopardi 等[7-8]对入口流型为环状流和搅混流进行了实验。得出了气液两相分配不均匀对入口条件非常依赖，T 形管处的质量分配与水平冲击型T 形管相似。Wang等[15-16]对气泡流、搅混流和环状流进行了实验，但他们重点研究的是冲击型T形管处的波动特性。

1.3 水平入口-倾斜出口的冲击型T 形管（α=0°，β≠0°）

Mohamed 等[19-20]以空气和水为介质对水平入口-倾斜出口的冲击型T 形管管路进行了实验。由于重力的作用，液相倾向于向出口向下倾斜的管路流入，气相更倾向于流入出口方向向上的出口，尤其是在分层流的情况下。在一定的倾角下，当入口的表观气速和表观液速在一定范围内时，气液两相可以实现完全分离。Tuo 等[33-34]的实验结果同样表明，当入口的质量流量较低，存在光滑的气液界面时，两相流具有最好的分离效果。Mohamed等[35]2012年在入口为环状流的条件下进行实验，结果表明环状流对于管路倾角的敏感度相对较低，且分离效果较差。图3显示了不同出口的倾角下气液两相完全分离时的分界曲线。当入口的表观气速和表观液速在分界曲线以下时，气液两相会发生完全的相分离，液相完全流入到向下倾斜的分支管路，气相完全流入到向上倾斜的分支管路；当气液两相流速都处于分离曲线上方的时候，气液两相不能完全分离，两个分支管路中既有液相存在又有气相存在。如图所示，在两个具有垂直方向出口的冲击型T形管在不同的入口条件下相对于其他倾角都具有最佳分离性能。

图3 各种倾角下两相完全分离的分界曲线[20]

Zheng 等[36-37]对水平来流管与竖直分支管路结构进行相分离实验，并提出气相弗劳德数对两相在竖直冲击T 形管处相分离的影响。随着气速的提升，气液两相的分离效率降低。Yang 等[38-39]认为，对于宏观T 形管，管径对相分离的影响并不是很大，影响两相分离的主要因素是重力与惯性力，这与Zheng 等的观点一致。在此基础上，Noor 等[40-41]采用了组合式的冲击型T 形管，分离效率较单一T形管大幅度提升。

1.4 冲击型T形管-向上倾斜的管路

Tshuva等[1]与王玲[42]研究了空气-水在具有上倾角度两个平行管道中的分布情况。在他们的研究中，平行管道倾斜的角度从0°到90°，管路中的流型为塞状流和弹状流。对于向上的倾斜管道，在低气液速的条件下观察到气液两相不对称的流动。非对称流动的区域随着管路倾角的增大而增大。不对称流动是指所有的气体和液体流向一根管道，而另一根管道为上下波动的液柱。这种现象被称作为极端偏流。Worthen 等[43]对此进行了CFD 数值模拟，模拟结果产生了与实验类似的偏流现象。Tshuva等利用最小压降原理来解释这种现象。Taitel等[44]对4根倾斜的并联管道进行实验，发现了类似的现象，气液两相流在4 根并联的管路中发生了不对称流动。Taitel等[44]和Pustylnik等[45]利用压降分析和稳定性分析的方法来解释这种现象。Pustylnik 等[46]还研究了附加条件对两相流分流的影响（在每根管道的顶部增加了孔板）。实验结果表明，孔板的加入减小了非对称流动的区域。而且值得注意的是，在以上的研究过程中，非对称流动是基于实验过程中的观察，而不是量化测量的结果。

为了解气液两相流从单管到双立管的分流情况，壳牌公司在阿姆斯特丹壳牌技术中心对其进行实验测试[22]。在两根立管的顶部，对气相和液相进行分离，然后对两相分别进行单独的计量。在所有的实验过程中，水平来流管中为分层流或者为波浪流并带有周期性的液塞。在两根立管中观测到了搅混流、弹状流和气泡流。在气液速较低的情况下，会出现一个反转的现象（如图4 所示），即一段时间内所有的气相和液相都从一个立管中流出（另一个立管为静止的液柱），过一段时间后，气相和液相从另一根立管中流出。这种现象与Tshuva等[1]的研究结果相同。Beekers[23]在高气液速下进行了实验，结果表明当气液速在足够大的情况下，能确保两根立管中流型为环状流，当气液两相流流经冲击型T形管时，始终保持等流量分配。

图4 冲击型T形管两根立管中反转状态[22]

据了解，冲击型T形管后接有双立管的结构产生不对称流动的情况，主要是由于两根立管中的压降以及流动状态不同所产生的。Ma 等[47]在对冲击型T形管后接有双立管进行研究，发现当两根立管中流量产生不均匀分配时，两根立管中的压降产生较大的差异，将双立管中的流动状态划分为三种（如图5所示），分别为弹状流-弹状流、搅混流-搅混流和弹状流-搅混流。结果表明只有在搅混流-搅混流的状态下，气液两相流在两根立管中才处于均匀分配的状态。

图5 水平-立管系统中气液两相流动状态[47]

综合以往的实验结果可以看出，当T形管两个出口保持在水平方向时，如果下游管路处于完全对称条件，气液两相流在经过冲击型T形管时，两相流的流量始终保持均匀分配。在分支管路出口倾斜的情况下，气相和液相更趋向于两根不同的分支管路。但是在冲击型T形管后接有倾斜管路时，即使各个并联管路处于完全对称的情况下，两相流的流量在分支管路中也可能出现不均匀分配的情况。

2 预测模型

多年来人们对分支型T 形管建立了大量的模型。Reimann 等[48]通过T 形管处简化的流场建立了气液两相流的压降模型，认为T形管下游的压降是由于T形管处的突然扩张所引起的，通过计算管路中两相流的平均密度与速度比可以计算出两相流的压降，所建立的模型在低液速的情况下对压降的预测比较准确。Seeger 等[49]基于对分支管中质量比与质量通量比所建立曲线的观察，建立了两相流的分流模型，所建立的分流模型对于分支管路向上的环状流和分层流比较适合，对于完全水平的分支管路，在质量通量比较高的情况具有较好的预测精度。Shoham 等[50]认为气液两相在分支管处的分流主要取决于液相的惯性力和向心力之间的关系，并且摒弃了压降的影响，基于流线的划分法建立了气液两相流分流模型，并提出气相和液相存在两条不同的分流边界，所建立的模型在分层流、波浪流和环状流时能够较好地预测气液两相流的分流结果。对于分支型T形管，以往学者所建立的压降模型和分流模型具有较好的预测能力，但是对于冲击型T形管的建模却很少，主要是由于下游管路持液率以及管路压降难以准确计算。下面从经验、现象以及机理模型对冲击型T形管处两相流分流预测进行介绍。表2总结了以往文献中冲击型T形管处气液两相分流预测模型。

表2 气液两相分流预测模型

2.1 经验模型

经验模型用于预测T形管处气液两相流的分流情况。这种经验模型基于特定的实验，没有或几乎没有理论的支持，实用性比较局限。

Chien和Rubel[10]建立了一种用于预测水平冲击型T形管处气液两相流分流的经验模型。该经验模型与入口的流型无关，并认为入口处的气液比是影响气液两相分布的唯一影响因素。将模型的预测值与Azzopardi 等[7]的实验数据进行了比较，结果表明，在较高的气液比下，模型的预测值与实验数据比较吻合，预测精度在10%左右，但是该模型所受压力影响较大，所适用范围在2.758～4.137kPa之间，在气液比低于0.25的情况下预测偏差较大。

Hong 和Griston[11]提出了一种预测气液两相流在冲击型T 形管处相分布的预测模型，与Chien 和Rubel[10]提出的模型相比较，除了在低气量和低气液比的条件下，其他情况与实验数据都能够较好地吻合。该模型也与入口的流型没有关系。如果入口的蒸汽干度低于0.7 且分支管路中气相与主管路中的气相比值低于0.2，则存在较大的预测偏差。但是值得注意的是，该模型并不满足质量守恒。El-Shaboury 等[31]指出，该模型并不适用于入口流型为气泡流、塞状流和弹状流的条件。

2.2 现象学模型

现象学模型是在实验观察和理论考虑的基础上发展起来的，比经验模型更普遍。

Hwang[51]建立了一种现象学模型预测气液两相流在水平分支管路中的分布状况，同时也适用于带有冲击型T 形管的管路[9]。该模型是基于流线划分法，并适用于所有入口流型。该模型的基本思想是，对于每个阶段，都存在一个影响区域，其边界是对应相位的分流线，如图6所示。在分流线(b)左侧从入口进入的所有液体将从出口3中流出，其他的液体将从出口2中流出。气相的分配方式与液相的分配方式相同，其在出口2和出口3之间由分流线(a)所 限 定。Lahey[53]、Hart 等[54]、Ottens 等[12]、Peng和Shoukri[55]使用了类似的方法。Hart等[54]也采用流线划分的方法，并且在他们的双流线模型中使用了一维的方法，并且求解了两相的伯努利方程。

图6 Hwang模型的影响区和流线划分[51]

Ottens 等[12]抛弃了Hart 等[54]之前的一些假设，建立了自己的模型，称作为先进双流线模型，该模型的工作范围适用于所有入口持液率的条件。所有流线划分的模型都以Hwang的模型为基础，并且局限于用新的方法去确定分流线的位置。

2.3 机理模型

El-Shaboury 等[17]利用实验数据建立了水平冲击型T 形管处气液两相流分流的机理模型，利用T形管处的能量守恒，建立了气液两相压降模型。对于环状流和波浪流预测值与实验所得结果相差在20%之内。通过质量守恒定律与动量守恒定律，建立了冲击型T 形管处相分布预测模型（如图7 所示），预测值与实验结果相比较，预测的准确度达到了30%之内。但是该模型取决于入口的流型，对于分层流、波浪流和环状流的预测比较准确。预测值与Azzopardi 等[7]和Ottens 等[12]实验数据总体上吻合度比较好。Dabirian 等[56]利用最小能量原理，建立了冲击型T形管处气液两相分流预测模型，对两相流分流的预测误差小于20%，但是所建立的模型并不能对分散气泡流进行准确的预测。

图7 T形管处的动量平衡参数[17]

Janke等[57]针对水平入口和倾斜出口的冲击型T形管建立了气液两相分离模型，是基于沉降理论，但是只针对于入口条件为分层流的条件，并不适用于其他流型。Ma等[47]基于水平-双立管实验系统建立了气液两相流分流预测模型，是基于最小压降原理，能够准确地预测冲击型T形管下游双立管的压降，并能够判定气液两相流流经冲击型T形管时两相流流量能否在下游两根立管中均匀分配。

气液两相流预测模型总体分为三种，分别为经验模型、现象学模型和机理模型。无论对于分支型T 形管还是冲击型T 形管，经验模型对于预测条件的要求比较严格，只能预测特定管路条件下气液两相流的分流特性。对于分支型T形管，基于双流线划分的现象学模型具有更好的预测精度。对于冲击型T形管，以能量守恒为基础建立的压降预测模型和以质量守恒和动量守恒为基础建立的分流模型具有更好的预测精度。但是所有的预测模型都存在自身的局限性，不能实现全流型的覆盖，在今后要不断加深对气液两相流分流特性模型的研究，提高模型的预测精度以及适用范围。

3 总结与展望

3.1 总结

本文从实验和模型的角度详细回顾了气液两相流在流经冲击型T形管时的不均匀分配状况。在很多情况下，“分布不均”通常被用于两种含义：两相流量的不均匀分布和气液比的不同。

水平冲击型T形管当管路和下游设备保持对称的情况下，两相流始终处于均匀分配的。当调节分离器后气相出口阀门时，气液流量在冲击型T形管处均产生不均匀分配，且气相的偏流程度始终大于液相的偏流程度。

对于竖直冲击型T形管，其气液两相流的分流结果与水平型T形管完全相似。

对于水平入口倾斜出口的冲击型T形管，大多作为小型分离器来应用，气相更容易向分支管路向上的支管流入，而液相偏向于流入向下倾斜的分支管路。这种分流情况主要与倾斜管路的角度和入口气相的弗劳德数有较大关系。

当管路的结构为水平管-双倾斜管路或者水平管-双立管的情况时，在较低的气液速情况下，即使下游管路处于完全对称情况，两相流在经过冲击型T形管时始终不能处于均匀分配的情况。随着气液两相流的流速不断增加，两相流不均匀分配的情况消失，T形管下游的两根管路始终处于均匀分配的状态。此时关闭分离器出口的气相阀门，对气相的分流产生较大的影响，但是对于液相流量并没有明显的影响。

3.2 展望

结合本文的分析可以看出，对于冲击型T形管处的气液比分配不同的情况，流型是关键的参数。实验中常见的稳定流型有分层流、波浪流和环状流。关于T形管处的段塞流以及其动力学的实验数据有限，有待进一步研究。

冲击型T形管处的气液两相流量分配不同。对于水平管路来说，在保持下游管路条件对称的情况下，并不会产生流量分配不均匀的状况；但是对于倾斜管路或者立管，即使T形管下游管路保持完全对称，也会产生不均匀分配的状况。

（1）在气液两相流经过T 形管时，T 形管两侧出口的界面高度会有所不同，通过界面测量技术测量液面高度差，以探究液面高度差对气液两相流分流的影响。

（2）研究立管中不同的流动状态对气液两相流的分流影响（目前实验并没有对环状流进行测试），并与动量平衡理论相结合探究入口气液速对立管中气液流动状态的影响。

（3）提出提高T形管处气液两相流分流模型的预测精度的方法，由于气液两相流分流模型主要是基于下游管路压降的计算，而影响压降计算的主要参数是管路中的持液率，所以需要建立更加准确的持液率计算模型，来预测气液两相流经过T形管后的分流情况，以加深对T形管处分流机理的认知。

符号说明

a,b—— 经验系数

D—— 管径，mm

F—— 支管中液相体积分数与入口气相平均速度的乘积

Fg—— 气相采出比例

Fl—— 液相采出比例

HL—— 管路内持液率

K—— 单相摩擦损失系数

—— 入口动量通量比

m—— 总质量

R—— 流线曲率半径

Re—— 雷诺数

Res—— 表观雷诺数

U—— 平均速度，m/s

Ud—— 漂移速度，m/s

Us—— 表观速度，m/s

V—— 液相体积比

w—— 总质量流量，kg/s

x—— 气相质量

α—— 主管路轴线与水平面的夹角，（°）

β—— 分支管路与水平线的夹角，（°）

γ—— 作用在气体上离心力与阻力之间的角度

ΔP—— 压降，Pa

δ—— 入口管分流线位置

ρ—— 密度，kg/m3

下角标

g—— 气相

l—— 液相

mix—— 混合

1—— 入口

2—— 出口2

3—— 出口3