В механике жидкости многофазный поток — это одновременный поток материалов с двумя или более термодинамическими фазами . [1] Практически все технологии переработки, от кавитационных насосов и турбин до производства бумаги и производства пластмасс, в той или иной форме используют многофазный поток. Оно также распространено во многих природных явлениях . [2]
Эти фазы могут состоять из одного химического компонента (например, потока воды и водяного пара) или нескольких различных химических компонентов (например, потока нефти и воды). [3] Фаза классифицируется как непрерывная , если она занимает непрерывно связанную область пространства (в отличие от дисперсной, если фаза занимает несвязанные 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: дисперсные потоки и разделенные потоки. Первый состоит из конечных частиц, капель или пузырьков, распределенных внутри сплошной фазы, тогда как второй состоит из двух или более непрерывных потоков жидкостей, разделенных границами раздела . [1] [2]
Изучение многофазных потоков тесно связано с развитием механики жидкости и термодинамики . Ключевое раннее открытие было сделано Архимедом Сиракузским (250 г. до н.э.), который постулировал законы плавучести, которые стали известны как принцип Архимеда и который используется при моделировании многофазного потока. [5]
В середине 20-го века были разработаны достижения в области пузырькового кипения и были созданы первые модели двухфазного перепада давления, в первую очередь для химической и перерабатывающей промышленности. В частности, Локхарт и Мартинелли (1949) [6] представили модель падения давления из-за трения в горизонтальном отрывном двухфазном потоке, введя параметр, который используется до сих пор. Между 1950 и 1960 годами интенсивная работа в аэрокосмической и ядерной отраслях стимулировала дальнейшие исследования двухфазного потока. В 1958 году одно из первых систематических исследований двухфазного потока было предпринято советским учёным Телетовым. [7] Бейкер (1965) [8] провел исследования режимов вертикального потока. [9]
Начиная с 1970-х годов, многофазные потоки, особенно в контексте нефтяной промышленности, широко изучались из-за растущей зависимости мировой экономики от нефти . [10]
В 1980-е годы началось дальнейшее моделирование многофазного потока путем моделирования режимов потока для различных наклонов и диаметров труб, а также различных давлений и расходов. Достижения в области вычислительной мощности в 1990-х годах позволили использовать все более сложные методы моделирования для моделирования многофазных потоков; потоки, которые ранее ограничивались одномерными задачами , можно было перенести на трехмерные модели. [9]
Проекты по разработке технологии измерения многофазного расхода (МФМ), используемой для измерения скорости расхода отдельных фаз, появились в 1990-х годах. Толчком к созданию этой технологии послужил прогнозируемый спад добычи на крупнейших нефтяных месторождениях Северного моря . Нефтяные компании, создавшие первые прототипы, включали BP и Texaco . MFMS теперь стала повсеместной и теперь является 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 осуществляется многофазным потоком, в котором взвешенные частицы рассматриваются как дисперсная вторая фаза, взаимодействующая со сплошной жидкой фазой. [ нужна цитата ]
Примером многофазного потока в меньшем масштабе могут служить пористые структуры. Моделирование поровой структуры позволяет использовать закон Дарси для расчета объемного расхода через пористую среду, например, поток грунтовых вод через горную породу. [12] Дальнейшие примеры встречаются в телах живых организмов, например, кровоток (при этом плазма представляет собой жидкую фазу, а эритроциты составляют твердую фазу). [13] Также поток крови в кишечном тракте человеческого тела с твердой пищей. частицы и вода текут одновременно [14] .
Подавляющее большинство технологий переработки предполагает использование многофазных потоков. Типичным примером многофазного потока в промышленности является псевдоожиженный слой . Это устройство объединяет твердожидкую смесь и заставляет ее двигаться как жидкость. [15] Дополнительные примеры включают электролиз воды , [16] пузырьковый поток в ядерных реакторах , поток газовых частиц в реакторах сгорания и потоки суспензий волокон 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 каком-либо месторождении, где есть закачка химикатов или различных типов ингибиторов . [18] [19] В нефтяном машиностроении буровой раствор состоит из газотвердой фазы. Кроме того, сырая нефть при движении по трубопроводам представляет собой трехфазный поток газ-нефть-вода. [10]
Наиболее распространенным классом многофазных потоков являются двухфазные потоки , к ним относятся поток газ-жидкость, поток газ-твердое тело, поток жидкость-жидкость и поток жидкость-твердое тело. Эти потоки являются наиболее изученными и представляют наибольший интерес в контексте промышленности. Различные модели многофазного потока известны как режимы течения. [9] [20]
Характер потока в трубах зависит от диаметра трубы, физических свойств жидкостей и их скоростей. По мере увеличения скорости и соотношения газ-жидкость «пузырьковый поток» переходит в «поток тумана». При высоких соотношениях жидкость-газ жидкость образует сплошную фазу, а при низких значениях - дисперсную фазу. При пробковом и снарядном течении газ течет быстрее, чем жидкость, и жидкость образует «пробку», которая отделяется, а скорость уменьшается до тех пор, пока следующая жидкостная пробка не догонит ее. [3]
В вертикальном потоке существует осевая симметрия , и структура потока более стабильна. [2] Однако, что касается снарядного течения, в этом режиме могут возникать колебания. Здесь могут быть применены горизонтальные режимы течения, однако мы видим более равномерное распределение частиц за счет силы плавучести, действующей в направлении трубы.
Маслобойка возникает при разрушении снарядного течения, что приводит к неустойчивому режиму, при котором возникает колебательное движение жидкости.
Тонкий кольцевой поток характеризуется наличием «клубков» жидкости, которые существуют в режиме кольцевого потока. Предположительно из-за слияния большой концентрации содержащихся капель в пленке жидкости, покрывающей трубу. Этот режим реализуется при больших потоках массы. [9]
Гидравлический транспорт представляет собой потоки, в которых твердые частицы диспергированы в сплошной жидкой фазе. Их часто называют шламовыми потоками. Область применения включает транспортировку угля и руды потоком грязи. [1]
Суспензии подразделяются на следующие группы; мелкие суспензии , в которых частицы равномерно распределены в жидкости, и крупные суспензии , в которых частицы должны перемещаться преимущественно в нижней половине горизонтальной трубы с более низкой скоростью, чем жидкость, и значительно меньшей скоростью, чем жидкость в вертикальной трубе. [3]
Двухфазный поток газ–твердое тело широко распространен в химической технологии , [29] энергетике и металлургическом машиностроении . Чтобы уменьшить загрязнение атмосферы и эрозию труб, улучшить качество продукции и эффективность процесса, измерение параметров двухфазного потока с помощью пневматической транспортировки (с использованием газа под давлением для создания потока) становится все более распространенным. [30]
Трехфазные потоки также имеют практическое значение, и примеры таковы:
Многофазные потоки не ограничиваются только тремя фазами. Примером четырехфазной проточной системы может служить система кристаллизации замораживанием с прямым контактом, при которой, например, жидкий бутан впрыскивается в раствор, из которого должны образоваться кристаллы, и замораживание происходит в результате испарения жидкости. бутан. В этом случае четырьмя фазами являются соответственно жидкий бутан, пары бутана, фаза растворенного вещества 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 рассчитать сложно из-за отсутствия знаний о скоростях каждой фазы в отдельной 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 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, обсуждаемое в разделе параметров ниже.
Самый простой метод классификации непрерывных многофазных потоков – рассматривать каждую фазу отдельно. 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 по уравнению:
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 приведенного ниже уравнения:
Где Q = объемный расход одной фазы, V = объем. [1]
Указанные выше переменные можно ввести в приведенные ниже параметры, которые важны для описания многофазного потока. В стволе скважины многофазный поток важными параметрами являются массовый расход, объемная доля и скорость каждой фазы. [11]
Считается, что поток через трубопровод постоянной площади 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 изменяются во времени, 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, как правило, обусловлены различными силами, действующими на элементы жидкости . Существует пять сил, влияющих на скорость потока, каждую из этих сил можно разделить на три разных типа; линия, поверхность и объем.
Рассмотрим линейный элемент длиной L. На элемент действуют объемные силы, пропорциональные объему ( ). Поверхностные силы действуют на элементы, пропорциональные размеру площади ( ), а линейные силы действуют на элементы одномерной кривой ( ):
Где P = давление, ρ = массовая плотность , Δ = изменение количества, σ = поверхностное натяжение, μ = динамическая вязкость, A = площадь g = ускорение свободного падения , L = линейный размер , V = объём, U = скорость непрерывного движения фаза. [32]
Сила давления действует на область или элементы поверхности и ускоряет жидкость в направлении вниз по градиенту давления. Разница давлений между началом и концом градиента давления известна как перепад 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 за счет уменьшения разницы скоростей между фазами, эффективно противодействует потоку и уменьшает скорость потока. Это очевидно при сравнении смесей масел с высокой вязкостью по сравнению со смесями с низкой вязкостью, где масло с более высокой вязкостью движется медленнее. [33]
Сила инерции – это объемная сила, сохраняющая направление и величину движения. Оно эквивалентно величине массы элемента, умноженной на его ускорение. Ускорение в этом случае определяется как , поскольку линейный размер L пропорционален времени. Более высокие силы инерции приводят к турбулентности, тогда как более низкая инерция приводит к ламинарному потоку.
Сила плавучести представляет собой чистое действие силы тяжести, хотя плотность неоднородна. Сила поверхностного натяжения действует на элемент линии или кривой и минимизирует площадь поверхности раздела - 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 стремится к ламинарному течению, тогда как при высоких числах турбулентность возникает из-за различий в скорости жидкости.
Обычно ламинарный поток возникает, когда Re < 2300, а турбулентный поток возникает, когда Re > 4000. На интервале возможны как ламинарные, так и турбулентные течения, их называют переходными течениями. Это число зависит от геометрии потока. [34]
Для смеси нефти и воды, текущей с высокой скоростью, чаще всего образуется дисперсный пузырьковый поток. Турбулентный поток состоит из вихрей разного размера. Водовороты большего размера, чем капли, транспортируют эти капли через поле потока. Водовороты, которые меньше или равны размеру капель, вызывают деформацию и разрушение капель. Это можно рассматривать как вихри, сталкивающиеся с каплями и разрушающие их, если они обладают достаточной энергией для преодоления внутренних сил капель.
В то же время турбулентный поток индуцирует капельно-капельное взаимодействие, важное для механизма коалесценции . Когда две капли сталкиваются, это может привести к слиянию, что приведет к увеличению размера капли.
Число Эйлера описывает связь между давлением и силами инерции.
Он используется для характеристики потерь энергии в потоке. Поток без трения представлен числом Эйлера, равным 1. Это число важно, когда сила давления является доминирующей . Примеры включают поток через трубы, поток над погруженными в воду телами и поток воды через отверстия.
Число Фруда — это отношение инерции к гравитации.
При Fr < 1 мелкие поверхностные волны движутся вверх по течению, Fr > 1 их будут уносить вниз по течению, а при Fr = 0 скорость равна скорости поверхностных волн. Это число актуально, когда в движении жидкости преобладает гравитационная сила. Например, течение в открытом русле, волновое движение в океане, силы на опорах мостов и морских сооружениях. [ нужна цитата ]
Число Этвёша определяет отношение плавучести к силам поверхностного натяжения.
Высокое значение этого числа указывает на то, что на систему относительно не влияют эффекты поверхностного натяжения. Низкое значение указывает на преобладание поверхностного натяжения.
Число Вебера определяет связь между силой инерции и поверхностным натяжением.
Он также определяет размер капель дисперсной фазы. Это число широко используется на картах режима стока. Влияние диаметра трубы хорошо видно по числу Вебера.
Можно выделить три различных режима, предполагающих, что гравитация незначительна или находится в условиях микрогравитации :
Переход от пенистого снарядно-кольцевого течения к полностью развитому кольцевому течению происходит при We = 20 .
Капиллярное число можно определить с помощью числа Вебера и числа Рейнольдса. Это относительная важность сил вязкости по отношению к поверхностным силам.
В микроканальных течениях решающую роль играет капиллярное число, поскольку важны как поверхностное натяжение, так и силы вязкости. [ нужна цитата ]
При операциях по повышению нефтеотдачи пластов важным фактором, который следует учитывать, является капиллярное число. Хотя капиллярное число выше, доминируют силы вязкости, а эффект натяжения на границе раздела флюидов в порах породы снижается, тем самым увеличивая нефтеотдачу. В типичных пластовых условиях капиллярное число варьируется от 10 -8 до 10 -2 . [35]
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite book}}
: Отсутствует или пусто |title=
( помощь ){{cite book}}
: |last=
имеет общее имя ( справка )CS1 maint: multiple names: authors list (link)