В механике жидкости многофазный поток — это одновременный поток материалов с двумя или более термодинамическими фазами . [1] Практически все технологии обработки, от кавитационных насосов и турбин до производства бумаги и производства пластмасс, включают в себя некоторую форму многофазного потока. Он также распространен во многих природных явлениях . [2]
Эти фазы могут состоять из одного химического компонента (например, поток воды и водяного пара) или нескольких различных химических компонентов (например, поток нефти и воды). [3] Фаза классифицируется как непрерывная , если она занимает непрерывно связанную область пространства (в отличие от дисперсной, если фаза занимает разъединенные области пространства). Непрерывная фаза может быть как газообразной, так и жидкой. Дисперсная фаза может состоять из твердого тела, жидкости или газа. [4]
Можно выделить две общие топологии: дисперсные потоки и разделенные потоки. Первый состоит из конечных частиц, капель или пузырьков, распределенных в непрерывной фазе, тогда как последний состоит из двух или более непрерывных потоков жидкостей, разделенных интерфейсами . [1] [2]
Изучение многофазного потока тесно связано с развитием механики жидкости и термодинамики . Ключевое раннее открытие было сделано Архимедом из Сиракуз (250 г. до н.э.), который постулировал законы плавучести, которые стали известны как принцип Архимеда , используемый при моделировании многофазного потока. [5]
В середине 20-го века были достигнуты успехи в области пузырькового кипения и были сформированы первые модели двухфазного падения давления, в первую очередь для химической и перерабатывающей промышленности. В частности, Локхарт и Мартинелли (1949) [6] представили модель для падения давления из-за трения в горизонтальном, разделенном двухфазном потоке, введя параметр, который используется и сегодня. Между 1950 и 1960 годами интенсивная работа в аэрокосмическом и ядерном секторах дала толчок дальнейшим исследованиям двухфазного потока. В 1958 году одно из самых ранних систематических исследований двухфазного потока было проведено советским ученым Телетовым. [7] Бейкер (1965) [8] провел исследования вертикальных режимов потока. [9]
Начиная с 1970-х годов многофазный поток, особенно в контексте нефтяной промышленности, широко изучался в связи с растущей зависимостью мировой экономики от нефти . [ 10 ]
В 1980-х годах было проведено дальнейшее моделирование многофазного потока путем моделирования моделей потока для различных наклонов и диаметров труб, а также различных давлений и потоков. Достижения в области вычислительной мощности в 1990-х годах позволили использовать все более сложные методы моделирования для моделирования многофазного потока, потоки, которые ранее ограничивались одномерными задачами , могли быть переведены в трехмерные модели. [9]
Проекты по разработке технологии многофазного расходомера (MFM), используемой для измерения скорости потока отдельных фаз, появились в 1990-х годах. Импульсом к этой технологии послужило прогнозируемое снижение добычи на основных нефтяных месторождениях Северного моря . Нефтяные компании, создавшие ранние прототипы, включали BP и Texaco , MFMS теперь стали повсеместными и в настоящее время являются основным решением для измерения при разработке новых месторождений. [11]
Многофазный поток регулярно встречается во многих природных явлениях, а также хорошо документирован и имеет решающее значение в различных отраслях промышленности.
Перенос наносов в реках происходит в результате многофазного течения, в котором взвешенные частицы рассматриваются как дисперсная вторая фаза, которая взаимодействует с непрерывной жидкой фазой. [ необходима ссылка ]
Примером многофазного потока в меньшем масштабе могут служить пористые структуры. Моделирование структуры пор позволяет использовать закон Дарси для расчета объемной скорости потока через пористые среды, такие как поток грунтовых вод через скалу. [12] Другие примеры встречаются в телах живых организмов, например, поток крови (плазма является жидкой фазой, а эритроциты составляют твердую фазу). [13] Также поток внутри кишечного тракта человеческого тела , где твердые частицы пищи и вода текут одновременно. [14]
Большая часть технологий обработки включает многофазный поток. Распространенным примером многофазного потока в промышленности является псевдоожиженный слой . Это устройство объединяет смесь твердого вещества и жидкости и заставляет ее двигаться как жидкость. [15] Другие примеры включают электролиз воды , [16] пузырьковый поток в ядерных реакторах , поток газа и частиц в реакторах сгорания и потоки волокнистой суспензии в целлюлозно-бумажной промышленности. [17]
В нефтегазовой промышленности многофазный поток часто подразумевает одновременный поток нефти, воды и газа. Этот термин также применим к свойствам потока в некоторых областях, где есть химическая инъекция или различные типы ингибиторов . [18] [19] В нефтяной инженерии буровой раствор состоит из газо-твердой фазы. Кроме того, сырая нефть во время потока по трубопроводам представляет собой трехфазный поток газ-нефть-вода. [10]
Наиболее распространенным классом многофазных потоков являются двухфазные потоки , и они включают поток газа-жидкости, поток газа-твердого тела, поток жидкости-жидкости и поток жидкости-твердого тела. Эти потоки являются наиболее изученными и представляют наибольший интерес в контексте промышленности. Различные модели многофазного потока известны как режимы потока. [9] [20]
Модели течения в трубах определяются диаметром трубы, физическими свойствами жидкостей и их расходами. По мере увеличения скорости и соотношения газ-жидкость «пузырьковый поток» переходит в «поток тумана». При высоких соотношениях жидкость-газ жидкость образует непрерывную фазу, а при низких значениях — дисперсную фазу. В пробковом и пробковом течении газ течет быстрее жидкости, и жидкость образует «пробку», которая отделяется, и скорость уменьшается до тех пор, пока следующая пробка жидкости не догонит ее. [3]
В вертикальном потоке существует осевая симметрия и модели потока более стабильны. [2] Однако, в отношении пробкового потока колебания в этом режиме могут возникать. Горизонтальные режимы потока могут применяться здесь, однако, мы видим более равномерное распределение частиц из-за силы плавучести, действующей в направлении трубы.
Вспенивание потока происходит, когда пробковый поток нарушается, что приводит к нестабильному режиму, при котором происходит колебательное движение жидкости.
Кольцевой поток характеризуется жидкими «клочьями», которые существуют в режиме кольцевого потока. Предположительно из-за коалесценции большой концентрации содержащихся капель в жидкой пленке, покрывающей трубу. Этот режим возникает при высоких массовых потоках. [9]
Гидравлический транспорт состоит из потоков, в которых твердые частицы диспергируются в непрерывной жидкой фазе. Их часто называют потоками шлама. Приложения включают транспортировку угля и руды в поток грязи. [1]
Суспензии подразделяются на следующие группы: мелкие суспензии , в которых частицы равномерно распределены в жидкости, и грубые суспензии , в которых частицы должны перемещаться преимущественно в нижней половине горизонтальной трубы с меньшей скоростью, чем жидкость, и со значительно меньшей скоростью, чем жидкость в вертикальной трубе. [3]
Двухфазный поток газ-твердое тело широко распространен в химической инженерии , [29] энергетике и металлургии . Для снижения загрязнения атмосферы и эрозии труб, повышения качества продукции и эффективности процесса все более распространенным становится измерение параметров потока двухфазного потока с помощью пневмотранспорта (используя сжатый газ для создания потока). [30]
Практическое значение имеют также трехфазные потоки, примерами которых являются следующие:
Многофазные потоки не ограничиваются только тремя фазами. Примером четырехфазной системы потока может служить система кристаллизации замораживанием с прямым контактом, в которой, например, жидкий бутан впрыскивается в раствор, из которого должны быть образованы кристаллы, а замораживание происходит в результате испарения жидкого бутана. В этом случае четырьмя фазами являются, соответственно, жидкий бутан, пар бутана, растворенная фаза и кристаллическая (твердая) фаза. [20]
Из-за наличия нескольких фаз возникают значительные сложности в описании и количественной оценке характера потока по сравнению с условиями однофазного потока. Распределение скоростей трудно рассчитать из-за отсутствия знаний о скоростях каждой фазы в одной точке.
Существует несколько способов моделирования многофазного потока, включая метод Эйлера-Лангранжа, где жидкая фаза рассматривается как континуум путем решения уравнений 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 уравнением сохранения массы, усредненной по объему для каждой фазы. [4] В этой модели дисперсная и непрерывная фазы рассматриваются как жидкости. Для каждой фазы вводится понятие объемной доли, обсуждаемое в разделе параметров ниже.
Самый простой метод категоризации непрерывных многофазных потоков — рассматривать каждую фазу независимо. Эта концепция известна как модель однородного потока, впервые предложенная советскими учеными в 1960-х годах. Предположения в этой модели следующие:
Для многофазного потока в трубах массовый расход каждой фазы можно определить с помощью уравнения:
Где = массовый расход одной фазы, Δ = изменение количества, m = масса этой фазы, t = время, а точка над m является производной по времени . [31]
Объемный расход можно описать с помощью следующего уравнения:
Где Q = объемный расход одной фазы, V = объем. [1]
Переменные, указанные выше, могут быть введены в нижеприведенные параметры, которые важны для описания многофазного потока. В скважинном многофазном потоке массовый расход, объемная доля и скорость каждой фазы являются важными параметрами. [11]
Поток через канал с постоянной площадью поперечного сечения считается находящимся в стационарных условиях, когда его скорость и давление могут меняться от точки к точке, но не меняются со временем. Если эти условия изменяются со временем, то поток называется переходным. [11] Газовая фаза чаще всего течет с более высокой скоростью, чем жидкая фаза, это связано с более низкой плотностью и вязкостью . [3]
Объемный расход и движение жидкости, в общем, обусловлены различными силами, действующими на элементы жидкости . Существует пять сил, которые влияют на расход, каждую из этих сил можно разделить на три различных типа: линейные, поверхностные и объемные.
Рассмотрим линейный элемент длины L на Объемные силы действуют на элемент пропорционально объему ( ). Поверхностные силы действуют на элементы пропорционально размеру площади ( ), а линейные силы действуют на одномерные кривые элементы ( ):
Где P = давление, ρ = плотность массы , Δ = изменение количества, σ = поверхностное натяжение, μ = динамическая вязкость, A = площадь, g = ускорение силы тяжести , L = линейный размер , V = объем, U = скорость непрерывной фазы. [32]
Сила давления действует на область или элементы поверхности и ускоряет жидкость в направлении вниз градиента давления. Разница давления между началом и концом градиента давления известна как падение давления . Уравнение Дарси-Вейсбаха можно использовать для расчета падения давления в канале.
Вязкая сила действует на поверхность или элемент площади и стремится сделать поток однородным, уменьшая разницу скоростей между фазами, эффективно противодействует потоку и уменьшает скорость потока. Это очевидно при сравнении высоковязких масляных смесей со смесями с низкой вязкостью, где более вязкая нефть движется медленнее. [33]
Сила инерции — это объемная сила, которая сохраняет направление и величину движения. Она эквивалентна величине массы элемента, умноженной на его ускорение. Ускорение в данном случае определяется как , поскольку линейный размер L пропорционален времени. Более высокие силы инерции приводят к турбулентности, тогда как более низкие — к ламинарному течению.
Сила плавучести представляет собой чистое действие силы тяжести, в то время как плотность неравномерна. Сила поверхностного натяжения действует на элемент линии или кривой и минимизирует площадь поверхности интерфейса - эта сила специфична для потоков газ-жидкость или жидкость-жидкость. [32]
Из сил, показанных в таблице выше, можно вывести пять независимых безразмерных величин ; эти соотношения дают представление о том, как будет вести себя многофазный поток:
Число Рейнольдса . Это число предсказывает, является ли поток в каждой фазе турбулентным или ламинарным .
При низких числах Рейнольдса поток имеет тенденцию к ламинарному течению, тогда как при высоких числах турбулентность возникает из-за различий в скорости жидкости.
В общем, ламинарный поток возникает при Re < 2300, а турбулентный поток возникает при Re > 4000. В этом интервале возможны как ламинарные, так и турбулентные потоки, и они называются переходными потоками. Это число зависит от геометрии потока. [34]
Для смеси нефти и воды, текущей с высокой скоростью, наиболее распространенным является образование потока типа дисперсных пузырьков. Турбулентный поток состоит из вихрей разного размера. Вихри, которые имеют больший размер, чем капли, транспортируют эти капли через поле потока. Вихри, которые меньше или равны размеру капель, вызывают деформацию капель и их дробление. Это можно рассматривать как то, что вихри сталкиваются с каплями и дробят их, если у них достаточно энергии для преодоления внутренних сил капель.
В то же время турбулентный поток вызывает взаимодействие капель, что важно для механизма коалесценции . Когда две капли сталкиваются, это может привести к коалесценции, что приведет к увеличению размера капли.
Число Эйлера описывает соотношение между давлением и силами инерции.
Он используется для характеристики потерь энергии в потоке. Полностью свободный от трения поток представлен числом Эйлера 1. [ требуется ссылка ] Это число важно, когда доминирует сила давления. Примерами являются поток по трубам, поток по погруженным телам и поток воды через отверстия.
Число Фруда — это отношение инерции к силе тяжести.
Когда Fr < 1, небольшие поверхностные волны движутся вверх по течению, Fr > 1 они будут переноситься вниз по течению, а когда Fr = 0, скорость равна скорости поверхностных волн. Это число имеет значение, когда гравитационная сила преобладает в движении жидкости. Например, течение в открытом канале, волновое движение в океане, силы на опорах моста и морских сооружениях. [ необходима цитата ]
Число Этвеша определяет отношение плавучести к силам поверхностного натяжения.
Высокое значение этого числа указывает на то, что система относительно не подвержена влиянию эффектов поверхностного натяжения. Низкое значение указывает на то, что поверхностное натяжение доминирует.
Число Вебера определяет соотношение между силой инерции и поверхностным натяжением.
Он также определяет размер капель дисперсной фазы. Это число широко используется в картах режима потока. Влияние диаметра трубы хорошо понимается через число Вебера.
Можно выделить три различных режима, предполагающих, что гравитация незначительна или находится в пределах микрогравитации :
Переход от пенистого пробково-кольцевого течения к полностью развитому кольцевому течению происходит при We = 20. [ необходима цитата ]
Капиллярное число можно определить с помощью числа Вебера и числа Рейнольдса. Это относительная важность вязких сил по отношению к поверхностным силам.
В микроканальных потоках капиллярное число играет решающую роль, поскольку важны как поверхностное натяжение, так и силы вязкости. [ необходима ссылка ]
В операциях по повышению нефтеотдачи капиллярное число является важным числом для рассмотрения. Пока капиллярное число выше, вязкие силы доминируют, а эффект натяжения на границе раздела между жидкостями в порах породы уменьшается, тем самым увеличивая добычу. В типичных условиях пласта капиллярное число варьируется от 10−8 до 10−2 . [ 35]
{{cite book}}
: Отсутствует или пусто |title=
( помощь )