WikiDer > Многофазный поток - Википедия

Эскиз многофазного потока в нефтяной трубе, где непрерывная фаза - это жидкость (синий цвет), несущая более мелкие частицы. Частицы газа (белые) и масла (черные) находятся в дисперсной фазе.

В механика жидкости, многофазный поток одновременный поток материалов с двумя или более термодинамическими фазы.^[1] Практически все технологии обработки от кавитационные насосы и турбины Для производства бумаги и изготовления пластмасс требуется некоторая форма многофазного потока. Это также распространено во многих природный феномен.^[2]

Эти фазы могут состоять из одного химического компонента (например, потока воды и водяного пара) или нескольких различных химических компонентов (например, потока масла и воды).^[3] Фаза классифицируется как непрерывный если он занимает постоянно соединенную область пространства. В то время как классификация рассеивать применяется, когда фаза занимает разрозненные области пространства. Непрерывная фаза может быть газообразной или жидкой. Дисперсная фаза может состоять из твердого вещества, жидкости или газа.^[4]

Можно выделить две общие топологии: рассеивать потоки и отделенный потоки.Первые состоят из частиц конечного размера, капель или пузырьков, распределенных в непрерывной фазе. Последний определяется как состоящий из двух или более непрерывных потоков жидкости, разделенных интерфейсы.^[1][2]

История

Изучение многофазного потока тесно связано с развитие механики жидкости и термодинамика. Ключевое раннее открытие было сделано Архимед Сиракузский (250 г. до н.э.), которые постулировали законы плавучести, которые стали известны как Принцип архимеда - который используется при моделировании многофазного потока.^[5]

В середине 20 века прогресс в пузырьковое кипение были разработаны и сформированы первые двухфазные модели перепада давления в основном для химической и обрабатывающей промышленности. В частности, Локхарт и Мартинелли (1949)^[6] представили модель падения давления на трение в горизонтальном, разделенном двухфазном потоке, введя параметр, который используется до сих пор. Между 1950 и 1960 годами интенсивная работа в аэрокосмическом и ядерном секторах вызвала дальнейшие исследования двухфазного потока. В 1958 году советский ученый Телетов провел одно из первых систематических исследований двухфазного потока.^[7] Бейкер (1965)^[8] проведены исследования режимов вертикального течения.^[9]

Начиная с 1970-х годов, многофазный поток, особенно в контексте нефтяной промышленности, широко изучается из-за возрастающей зависимости нефть посредством мировая экономика.^[10]

В 1980-е годы было продолжено моделирование многофазного потока путем моделирования режимов потока для труб разного наклона и диаметра, а также для разных давлений и потоков. Развитие вычислительной мощности в 1990-х годах позволило использовать все более сложные методы моделирования для моделирования многофазных потоков, потоков, которые ранее были ограничены однофазным потоком.размерный проблемы можно было перенести на трехмерные модели.^[9]

Проекты по разработке технологии измерения многофазного потока (MFM), используемой для измерения скорости потока отдельных фаз, появились в 1990-х годах. Толчком к этой технологии послужил прогнозируемый спад производства на основных Нефтяные месторождения Северного моря. Нефтяные компании, создавшие ранние прототипы, включали BP и Texaco, MFMS теперь стали повсеместными и теперь являются основным решением для измерения при разработке новых месторождений.^[11]

Примеры и приложения

Многофазный поток в природе. Лавина в Альпах, туман, окутывающий мост Золотые Ворота, и осадки, выпадающие в Тихий океан рекой Угорь.

Многофазный поток регулярно возникает во многих природных явлениях, а также хорошо задокументирован и имеет решающее значение в различных отраслях промышленности.

В природе

Перенос наносов в реках зависит от многофазного потока, в котором взвешенные частицы рассматриваются как вторая дисперсная фаза, которая взаимодействует с непрерывной жидкой фазой.^{[нужна цитата]}

Примером многофазного потока в меньшем масштабе могут быть пористые структуры. Моделирование поровой структуры позволяет использовать Закон Дарси рассчитать объемный расход через пористые среды, такие как грунтовые воды течь сквозь скалу.^[12] Другие примеры встречаются в телах живых организмов, таких как кровоток (плазма является жидкой фазой, а эритроциты - твердой фазой.^[13] Также течь в кишечном тракте тело человекас одновременным течением твердых частиц пищи и воды.^[14]

В промышленности

В подавляющем большинстве технологий обработки используется многофазный поток. Типичным примером многофазного потока в промышленности является псевдоожиженный слой. Это устройство объединяет твердую и жидкую смесь и заставляет ее двигаться как жидкость.^[15] Дополнительные примеры включают пузырьковый поток в ядерные реакторы, потоки газов и частиц в реакторах сгорания и потоки суспензий волокон в целлюлозно-бумажной промышленности.^[16]

В нефтяной и газовой отраслях многофазный поток часто подразумевает одновременный поток нефти, воды и газа. Этот термин также применим к свойствам потока в некоторой области, где есть химическая закачка или различные типы ингибиторы.^[17][18] В нефтяная инженерия, буровой раствор состоит из газо-твердой фазы. Кроме того, сырая нефть при протекании по трубопроводам представляет собой трехфазный поток газ-нефть-вода.^[10]

Типы

Наиболее распространенный класс многофазных потоков: двухфазные потоки, и они включают поток газа-жидкости, поток газа-твердого тела, поток жидкости-жидкости и поток жидкости-твердого тела. Эти потоки наиболее изучены и представляют наибольший интерес в контексте промышленности. Различные модели многофазного потока известны как режимы потока.^[9][19]

Двухфазный поток жидкости-газа в трубопроводе

Режимы потока при горизонтальном потоке сверху вниз: пузырьковый поток, поршневой поток, пробковый поток, волнистый поток, стратифицированный поток, кольцевой поток и поток тумана

Схема потока в трубах определяется диаметром трубы, физическими свойствами жидкостей и их расходами. По мере увеличения скорости и газожидкостного отношения «пузырьковый поток» переходит в «поток тумана». При высоких отношениях жидкость-газ жидкость образует непрерывную фазу, а при низких значениях - дисперсную фазу. В затыкать и снарядгаз течет быстрее, чем жидкость, и жидкость образует «пробку», которая отделяется, и скорость уменьшается до тех пор, пока не нагонится следующая пробка жидкости.^[3]

Обычные режимы вертикального потока - слева направо: перемешиваемый поток, кольцевой поток и кольцевой поток Wispy

В Вертикальный поток осевая симметрия существует и структура потока более стабильна.^[2] Однако что касается снарядного течения, колебания в этом режиме возможны. Здесь могут применяться режимы горизонтального течения, однако мы видим более равномерное распределение частиц за счет выталкивающей силы, действующей в направлении трубы.

Перетекание возникает, когда пробковый поток выходит из строя, что приводит к нестабильному режиму, в котором происходит колебательное движение жидкости.

Тонкий кольцевой поток характеризуется жидкими «струйками», которые существуют в режиме кольцевого потока. Предположительно из-за слияния большой концентрации содержащихся капель в жидкой пленке, покрывающей трубу. Этот режим реализуется при больших массовых потоках.^[9]

Жидкостно-твердый поток

Гидравлический транспорт состоит из потоков, в которых твердые частицы диспергированы в непрерывной жидкой фазе. Их часто называют потоками навозной жижи. Применения включают транспортировку углей и руды к потоку грязи.^[1]

Подвески подразделяются на следующие группы; мелкие подвески в котором частицы равномерно распределены в жидкости и грубые взвеси где частицы должны перемещаться преимущественно в нижней половине горизонтальной трубы с более низкой скоростью, чем жидкость, и значительно меньшей скоростью, чем скорость жидкости в вертикальной трубе.^[3]

Газ-твердотельный трубопроводный поток

Двухфазный поток газ – твердое тело широко существует в химическая инженерия, энергетика, металлургическое машиностроение. Чтобы уменьшить загрязнение атмосферы и эрозия труб, улучшение качества продукции и эффективности процесса, измерение параметров потока двухфазного потока с помощью пневматический транспортировка (с использованием сжатого газа для создания потока) становится все более распространенной.^[28]

Трехфазный и выше

Трехфазные потоки также имеют практическое значение, и их примеры следующие:

1. Потоки газ-жидкость-твердое тело: системы этого типа используются в химических реакторах с двухфазным псевдоожиженным слоем и газлифтных реакторах, где газожидкостной реакции способствуют частицы твердого катализатора, взвешенные в смеси. Другой пример - в пенная флотация как метод разделения минералов и проведения газожидкостных реакций в присутствии катализатор.^[9]
2. Трехфазные потоки газ-жидкость-жидкость: смеси паров и двух несмешивающихся жидких фаз распространены на предприятиях химического машиностроения. Примерами являются потоки газ-нефть-вода в системах добычи нефти и потоки несмешивающегося конденсата-пара в системах конденсации пара / углеводородов.^[19] Другие примеры относятся к потокам нефти, воды и природного газа. Эти потоки могут возникать при конденсации или испарении жидких смесей (например, при конденсации или испарении пара или углеводороды).^[9]
3. Потоки твердое тело-жидкость-жидкость: Пример - смешивание песка с нефтью и водой в трубопроводе.^[9]

Многофазные потоки не ограничиваются только тремя фазами. Пример четырехфазный поток Это система кристаллизации замораживанием с прямым контактом, в которой, например, бутан жидкость впрыскивается в раствор, из которого должны образоваться кристаллы, и происходит замерзание в результате испарения жидкого бутана. В этом случае четырьмя фазами являются, соответственно, жидкий бутан, пар бутана, растворенная фаза и кристаллическая (твердая) фаза.^[19]

Характеристики

Моделирование

Из-за наличия нескольких фаз существуют значительные сложности в описании и количественной оценке природы потока по сравнению с условиями однофазного потока. Распределение скоростей трудно вычислить из-за незнания скоростей каждой фазы в отдельной точке.

Существует несколько способов моделирования многофазного потока, в том числе метод Эйлера-Лангранжа, где жидкая фаза рассматривается как континуум путем решения Уравнения Навье-Стокса. Дисперсная фаза решается путем отслеживания большого количества дисперсных частиц, пузырьков или капель. Дисперсная фаза может обмениваться импульсом, массой и энергией с жидкой фазой.^[1]

Двухфазный поток Эйлера-Эйлера характеризуется усредненным по объему уравнением сохранения массы для каждой фазы.^[4] В этой модели дисперсная и непрерывная фазы рассматриваются как жидкости. Для каждой фазы вводится понятие объемной доли, которое обсуждается в разделе параметров ниже.

Самый простой способ классифицировать непрерывные многофазные потоки - рассматривать каждую фазу отдельно. Эта концепция известна как модель однородного потока, впервые предложенная советскими учеными в 1960-х годах. Допущения в этой модели:

• Скорость газовой фазы равна скорости жидкой фазы.
• Двухфазная среда находится в термодинамическое равновесие.^[11]

Параметры

Для многофазного потока в трубах массовый расход для каждой фазы можно определить с помощью уравнения:

${ displaystyle G = { dot {m}} = lim limits _ { Delta t rightarrow 0} { frac { Delta m} { Delta t}} = { frac {{ rm {d }} м} {{ rm {d}} t}}}$

Где ${ Displaystyle G}$ = массовый расход одной фазы, Δ = изменение количества, m = масса этой фазы t = время, а точка над m обозначает производная по времени.^[29]

Объемный расход можно описать с помощью следующего уравнения:

${ displaystyle Q = { dot {V}} = lim limits _ { Delta t rightarrow 0} { frac { Delta V} { Delta t}} = { frac { mathrm {d} V} { mathrm {d} t}}}$

Где Q = объемный расход одной фазы, V = объем.^[1]

Указанные выше переменные можно ввести в следующие параметры, которые важны для описания многофазного потока. В ствол скважины многофазный поток: массовый расход, объемная доля и скорость каждой фазы являются важными параметрами.^[11]

Основные параметры, описывающие многофазный поток в трубопроводе.^[11]

Параметр	Уравнение	Описание
Массовый расход	${ Displaystyle G = G_ {g} + G_ {l} + G_ {s}}$	Массовый расход - это масса жидкости, которая проходит через поперечное сечение за единицу времени. Где G = массовый расход, g = газ, l = жидкость и s = твердое тело.
Объемный расход	${ displaystyle Q = Q_ {g} + Q_ {l} + Q_ {s}}$	Объемный расход, определяемый как объем жидкости, проходящей через площадь поперечного сечения за единицу времени:
Массовая доля	${ displaystyle x_ {i} = lim limits _ { delta V rightarrow V ^ {o}} { frac { Delta G_ {i}} { Delta G}} = { frac {G_ {i }} {G_ {g} + G_ {l} + G_ {s}}}}$	Где Gя - массовый расход жидкой, твердой или газовой фазы. Определяется как отношение массы одной фазы к общей массе смеси, проходящей через поперечное сечение за единицу времени.
Объемная доля	${ displaystyle beta _ {i} = lim limits _ { delta V rightarrow V ^ {o}} { frac { Delta Q_ {i}} { Delta Q}} = { frac {Q_ {i}} {Q_ {g} + Q_ {l} + Q_ {s}}}}$	Где Qя - объемный расход жидкой, твердой или газовой фазы. Q - общий объемный расход. Объемная доля определяется как отношение объема одной фазы к общему объему смеси, проходящей через поперечное сечение за единицу времени.[1]
Поверхностная скорость	${ displaystyle s_ {g} = { frac {Q_ {g}} {A}}}$ ${ displaystyle s_ {l} = { frac {Q_ {l}} {A}}}$ ${ displaystyle s_ {s} = { frac {Q_ {s}} {A}}}$	Где ${ displaystyle s_ {g} =}$ приведенная скорость газовой фазы (м / с), ${ displaystyle s_ {l} =}$скорость жидкой фазы и ${ displaystyle s_ {s} =}$скорость твердой фазы. Поверхностная скорость - это гипотетическая скорость, в которой предполагается, что одна фаза занимает всю площадь поперечного сечения.
Фактическая скорость	${ displaystyle v_ {g} = { frac {Q_ {g}} {A_ {g}}}}$ ${ displaystyle v_ {l} = { frac {Q_ {l}} {A_ {l}}}}$ ${ displaystyle v_ {s} = { frac {Q_ {s}} {A_ {s}}}}$	Где ${ displaystyle v_ {g} =}$ фактическая скорость газовой фазы (м / с), ${ displaystyle v_ {l} =}$скорость жидкой фазы и ${ displaystyle v_ {s} =}$скорость твердой фазы.

Считается, что поток через канал с постоянной площадью поперечного сечения находится в установившихся условиях, когда его скорость и давление могут изменяться от точки к точке, но не изменяются со временем. Если эти условия меняются со временем, то поток известен как преходящий.^[11] Газовая фаза обычно течет с более высокой скоростью, чем жидкая фаза, это связано с более низким плотность и вязкость.^[3]

Основные силы в многофазном потоке

В объемный расход и движение жидкости, как правило, обусловлено различными силами, действующими на жидкость. элементы. Есть пять сил, которые влияют на скорость потока, каждую из этих сил можно разделить на три различных типа; линия, поверхность и объем.

Рассмотрим линейный элемент длиной L на объемные силы, действующие на элемент, пропорциональный объему (${ Displaystyle V propto L ^ {3}}$). Поверхностные силы действуют на элементы пропорционально размеру площади (${ Displaystyle A propto L ^ {2}}$) и линейные силы действуют на элементы одномерной кривой (${ displaystyle zeta propto L}$):

Классификация сил, участвующих в многофазном потоке

Сила	Тип	Величина силы	Величина силы на единицу объема
Давление	Поверхность	${ Displaystyle F_ {p} propto mathrm {A} Delta P}$	${ displaystyle f_ {P} propto Delta PL ^ {- 1}}$
Инерция	Объем	${ Displaystyle F_ {I} propto V Delta rho U ^ {2} L ^ {- 1}}$	${ displaystyle f_ {I} propto rho U ^ {2} L ^ {- 1}}$
Вязкий	Поверхность	${ Displaystyle F_ {V} propto mathrm {A} mu UL ^ {- 1}}$	${ displaystyle f_ {V} propto mu UL ^ {- 2}}$
Плавучесть	Объем	${ Displaystyle F_ {B} propto Vg Delta rho}$	${ displaystyle f_ {B} propto g Delta rho}$
Поверхность	Линия	${ Displaystyle F_ {S} propto L sigma}$	${ displaystyle f_ {S} propto sigma L ^ {- 2}}$

Где P = давление, ρ = плотность вещества, Δ = изменение количества, σ = поверхностное натяжение, μ = динамическая вязкость, A = площадь g = ускорение из-за сила тяжести, L = линейный размер, V = объем, U = скорость непрерывной фазы.^[30]

Сила давления действует на участок или элементы поверхности и ускоряет жидкость в направлении вниз градиента давления. Разница давлений между началом и концом градиента давления известна как падение давления. В Уравнение Дарси-Вейсбаха может использоваться для расчета падения давления в канале.

Вязкая сила действует на поверхность или элемент площади и стремится сделать поток однородным за счет уменьшения разницы скоростей между фазами, эффективно противодействует потоку и снижает скорость потока. Это очевидно при сравнении смесей высоковязких масел с низковязкими смесями, где масло с более высокой вязкостью движется медленнее.^[31]

Сила инерции - это объемная сила, которая сохраняет направление и величину движения. Это эквивалентно величине массы элемента, умноженной на его ускорение. Ускорение в этом случае определяется как ${ displaystyle U ^ {2} L ^ {- 1}}$, поскольку линейный размер L пропорционален времени. Более высокие силы инерции приводят к турбулентности, тогда как меньшая инерция приводит к ламинарному потоку.

Сила плавучести представляет собой чистое действие силы тяжести, в то время как плотность неоднородна. Сила поверхностного натяжения действует на элемент линии или кривой и сводит к минимуму площадь поверхности раздела - эта сила характерна для потоков газ-жидкость или жидкость-жидкость.^[30]

Ключевые безразмерные соотношения

А вихревая улица вокруг цилиндра, который может возникать в многофазном потоке. Это происходит вокруг числа Рейнольдса от 40 до 1000 независимо от размера цилиндра, скорости жидкости и жидкости.^[2]

Из сил, указанных в таблице выше, пять независимых безразмерные величины можно вывести, эти соотношения дают представление о том, как будет вести себя многофазный поток:

В Число Рейнольдса. Это число предсказывает, будет ли поток в каждой фазе бурный или же ламинарный.

${ displaystyle Re = { frac {F_ {I}} {F_ {V}}} = { frac {f_ {I}} {f_ {V}}} = { frac { rho LU} { mu}}}$

При низких числах Рейнольдса поток имеет тенденцию к ламинарному потоку, тогда как при больших числах турбулентность возникает из-за разницы в скорости жидкости.

Обычно ламинарный поток возникает при Re <2300, а турбулентный - при Re> 4000. В интервале возможны как ламинарные, так и турбулентные течения, которые называются переходными. Это число зависит от геометрии потока.^[32]

Для смеси нефти и воды, текущей с высокой скоростью, чаще всего формируется диспергированный поток пузырькового типа. Турбулентный поток состоит из водовороты разного размера. Вихри, которые имеют размер больше, чем капли, переносят эти капли через поле потока. Вихри, размер которых меньше или равен размеру капель, вызывают деформацию и разрушение капель. Это можно рассматривать как вихри, сталкивающиеся с каплями и разбивающие их, если у них достаточно энергии для преодоления внутренних сил капель.

В то же время турбулентный поток вызывает взаимодействие капель с каплями, что важно для слияние механизм. Когда две капли сталкиваются, это может привести к коалесценции, что приведет к увеличению размера капель.

В Число Эйлера описывает соотношение между давлением и инерционными силами.

${ displaystyle Eu = { frac {F_ {P}} {F_ {I}}} = { frac {f_ {P}} {f_ {I}}} = { frac { Delta p} { rho U ^ {2}}}}$

Он используется для характеристики потерь энергии в потоке. Поток без трения представлен числом Эйлера 1.^{[нужна цитата]} Это число важно, когда сила давления доминирует. Примеры включают поток по трубам, поток над погруженными телами и поток воды через отверстия.

В Число Фруда это отношение инерции к силе тяжести.

${ displaystyle Fr = { frac {F_ {I}} {F_ {G}}} = { frac {f_ {I}} {f_ {G}}} = { frac {U ^ {2}} { gL}}}$

Когда Fr <1, ​​небольшие поверхностные волны движутся вверх по потоку, Fr> 1 они будут уноситься вниз по потоку, а когда Fr = 0, скорость равна поверхностным волнам. Это число актуально, когда в движении жидкости преобладает сила тяжести. Например, течение в открытом русле, волновое движение в океане, нагрузки на опоры мостов и морские конструкции.^{[нужна цитата]}

В Число Этвёша определяет отношение плавучести к силам поверхностного натяжения.

${ displaystyle Eo = { frac {F_ {B}} {F_ {S}}} = { frac {f_ {B}} {f_ {S}}} = { frac { Delta rho gL ^ { 2}} { sigma}}}$

Высокое значение этого числа указывает на то, что система относительно не подвержена эффектам поверхностного натяжения. Низкое значение указывает на преобладание поверхностного натяжения.

В Число Вебера определяет соотношение между силой инерции и поверхностным натяжением.

${ displaystyle We = { frac {F_ {I}} {F_ {S}}} = { frac {f_ {I}} {f_ {S}}} = { frac { rho LU ^ {2} } { sigma}}}$

Он также определяет размер капель дисперсной фазы. Это число широко используется в картах режимов потока. Влияние диаметра трубы хорошо видно по числу Вебера.

Три разных режима в предположении, что гравитация незначительна, или в пределах микрогравитация можно выделить:

1. Режим с преобладанием поверхностного натяжения с пузырьковым и снарядным течениями. (Мы <1)
2. Режим с преобладанием инерции с кольцевым потоком. (Мы> 20)
3. Переходный режим с пенистым снарядно-кольцевым потоком.

Переход от пенистого снарядно-кольцевого течения к полностью развитому кольцевому течению происходит при We = 20.^{[нужна цитата]}

В Капиллярное число можно определить с помощью числа Вебера и числа Рейнольдса. Это относительное значение вязких сил по сравнению с поверхностными силами.

${ displaystyle Ca = { frac {F_ {V}} {F_ {S}}} = { frac {f_ {V}} {f_ {S}}} = { frac { mu U} { sigma }} = { frac {We} {Re}}}$

В микроканал Для потоков капиллярное число играет решающую роль, поскольку важны как поверхностное натяжение, так и силы вязкости.^{[нужна цитата]}

В повышенная нефтеотдача операций, важно учитывать капиллярное число. В то время как число капилляров выше, преобладают силы вязкости, и влияние межфазного натяжения между флюидами в порах породы снижается, тем самым увеличивая извлечение. В типичных пластовых условиях капиллярное число колеблется от 10⁻⁸ до 10⁻².^[33]

Смотрите также

• Уравнение Бакли – Леверетта
• Закон Дарси для многофазного потока в пористых средах, как разработано (или обобщено) Моррис Маскат и другие
• Закон Дарси для однофазного потока является основным законом для потока жидкости в пористой среде
• Уравнение Хагена – Пуазейля
• Многофазный расходомер
• Многофазный теплообмен
• Томография процесса
• Двухфазный поток

Рекомендации

• Кроу, Клейтон; Соммерфилд, Мартин; Ютака, Цудзи (1998). Многофазные потоки с каплями и частицами. CRC Press. ISBN 0-8493-9469-4.
• Ван, М. Картирование импеданса многофазных потоков твердых частиц, Измерение расхода и приборы, (2005) Vol. 16
• Кроу, Клейтон (2005). Справочник по многофазным потокам. CRC Press. ISBN 0-8493-1280-9.
• Бреннен, Кристофер (2005). Основы многофазного потока. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-84804-0.
• Братланд, Уве (2010). Pipe Flow 2 Обеспечение многофазного потока. drbratland.com. ISBN 978-616-335-926-1.