馬立輝，何利民，米祥冉，陳舒炯，李曉偉

（1 中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580；2 中國(guó)石油國(guó)際勘探開發(fā)有限公司，北京 100034）

氣液兩相流動(dòng)在采油、化工和核電等許多系統(tǒng)中都經(jīng)常出現(xiàn)。在這些領(lǐng)域中，通常將氣液兩相流分為兩個(gè)或多個(gè)分支。當(dāng)氣液兩相流通過分配器如T形管時(shí)，兩相的不均勻分配經(jīng)常發(fā)生。不均勻分配通常有兩種含義：一種是流量分配的不均勻[1]，另一種是分支管路中氣液比的不同[2]。因此，相關(guān)的研究有兩種不同的側(cè)重點(diǎn)。在以往的研究中對(duì)分支管路中氣液比是否相同研究較多，但是對(duì)分支管路中氣液兩相流量是否均勻分配的研究相對(duì)較少。一方面氣液兩相流嚴(yán)重的分配不均勻，對(duì)下游設(shè)備的安全性和運(yùn)行效率有著顯著的影響。例如，在換熱器的蒸發(fā)器中，由于氣液兩相分配的不均勻，平行通道中可能會(huì)意外發(fā)生干涸現(xiàn)象。在一系列重力分離器中，油氣兩相分布不均勻會(huì)導(dǎo)致分離效率低和液位控制難等問題。另一方面，利用T形管處的相分離作用，可以使T形管成為一種簡(jiǎn)單的氣液分離器[3]，在某種程度上可以分離氣體和液體兩相。然而，由于氣液兩相流的復(fù)雜性，人們對(duì)氣液兩相流的分流機(jī)理的認(rèn)識(shí)還很薄弱。因此，T形管處的氣液兩相流分流性能一直是多相流研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。

在油氣管網(wǎng)中不同用途的T 形管可以分為兩種：一種是匯流型T 形管，另一種是分流型T 形管。根據(jù)入口流動(dòng)相對(duì)于出口流動(dòng)的方向，將T形管分為兩種類型，即分支型T 形管和沖擊型T 形管，如圖1所示。對(duì)于分支型T形管，其中一個(gè)出口的方向與入口的方向相同，另一個(gè)出口的方向與入口的方向相互垂直。對(duì)于沖擊型T形管，兩個(gè)出口的方向相反，且都垂直于入口方向。在小管徑或微通道中，由于表面張力等因素的影響（這種影響在宏觀尺度的T 形管中可以忽略不計(jì)），兩相流具有不同流動(dòng)特性[4]。本研究主要針對(duì)內(nèi)徑大于10mm的宏觀等邊沖擊型T形管。

在過去幾十年里，關(guān)于T形管處氣液兩相流的分流特性的實(shí)驗(yàn)研究和模型建立已經(jīng)有了大量報(bào)道。影響氣液兩相流分流的因素有很多，如交界處的幾何形狀、氣液流速、兩相流的流型、分支管路的方向、交界處的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、流體的性質(zhì)、管道的尺寸、系統(tǒng)壓力以及管道下游的閥門和立管等部件都會(huì)對(duì)其造成影響。

對(duì)于分支型T 形管，Azzopardi[2]對(duì)78 篇文獻(xiàn)進(jìn)行了全面的回顧，并總結(jié)出了來流管中的氣液兩相流型對(duì)T 形管處的分流狀況具有很大的影響。Azzopardi和Whalley[5]對(duì)主管路為垂直向上、分支管路為水平方向的管路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得出對(duì)于環(huán)狀流和攪渾流，液相優(yōu)先進(jìn)入到支管中，而對(duì)于氣泡流，氣相優(yōu)先進(jìn)入到分支管路中。Rea 等[6]對(duì)完全水平的管路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分層流在液相流速較高的情況下，分支管路中兩相混合物主要以氣相為主，在液速較低的情況下，支管中兩相混合物主要以液相為主。段塞流可看作分層流區(qū)域與液塞區(qū)域的組合，分層流區(qū)域與前面所述分流情況相同，而對(duì)于液塞區(qū)域，液相更傾向于進(jìn)入到分支管路中。當(dāng)來流管路為水平管路而分支管路向上傾斜的時(shí)候，重力對(duì)T形管處氣液兩相分流產(chǎn)生很大的影響，分支管路中有液相排出之前往往有大量氣相先排出，而分支管路向下傾斜時(shí)，氣液兩相排出恰恰相反。分支管路向上或者向下有著良好的氣液分離效果，將其用作一種簡(jiǎn)單的分離器研究其分離性能成為近些年研究的熱點(diǎn)。以往對(duì)于分支型T形管的研究已經(jīng)相對(duì)成熟，但是對(duì)于沖擊型T 形管的研究相對(duì)較少。本文對(duì)沖擊型T形管處氣液兩相流分布不均勻的實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論模型進(jìn)行全面的回顧，以期加深對(duì)這種現(xiàn)象的理解和建模。

1 沖擊型T形管實(shí)驗(yàn)

與分支型T形管相比，沖擊型T形管具有更好的兩相流分配性能。對(duì)于沖擊型T形管處的相分布在以往的文獻(xiàn)中已經(jīng)有所研究。表1總結(jié)了以往關(guān)于影響氣液兩相流在沖擊型T形管處分流特性的一些研究成果，所采用的兩相混合物為空氣-水、氮?dú)?水和蒸汽-水。

表1 兩相流沖擊型T形管實(shí)驗(yàn)研究

1.1 水平?jīng)_擊型T形管（α=0°，β=0°）

大部分研究是在水平?jīng)_擊型T 形管下進(jìn)行的，一般的結(jié)論是，只要質(zhì)量分流比為0.5 或者兩個(gè)分支管路出口質(zhì)量流量相同[24]，沖擊型T形管處就不存在氣液兩相流分配不均的情況。氣液兩相流在水平?jīng)_擊型T形管處的分流狀況受下游管路結(jié)構(gòu)影響較大[25]。El-Shaboury等[17]研究了穩(wěn)定兩相流（分層流、波浪流和環(huán)狀流）在沖擊型T形管處的分流情況。Alvarez等[18]進(jìn)行了段塞流實(shí)驗(yàn)。這兩項(xiàng)研究表明，將下游設(shè)備保持在相同的條件下運(yùn)行，氣液兩相流始終處于均勻分配的狀態(tài)，與入口的流型無關(guān)。Alvarez等[26]在環(huán)狀流的條件下對(duì)兩根出口管路的閥門進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其處于不同的開度，則兩根分支管路中所流入的流量并不相同，且氣相的偏流程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于液相。米祥冉等[27]研究了段塞流從單管流入并聯(lián)分離器的分流特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分離器氣相出口的管路條件對(duì)稱，則段塞流在兩臺(tái)分離器中的分流結(jié)果為等流量分配。如果調(diào)節(jié)兩個(gè)分離器氣相出口的開度，則與Alvarez 等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果類似，但是氣相的偏流程度小于環(huán)狀流條件下的偏流程度。Mohammadikharkeshi 等[28]研究了水平?jīng)_擊型T形管處段塞流消耗實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)同樣表明，當(dāng)液塞經(jīng)過T形管時(shí)，液塞的長(zhǎng)度在兩根分支管路中均勻分配。Dabirian 等[29]在沖擊型T 形管后接有兩根管徑不同的分支管路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)下游分支管路的管徑不同時(shí)，對(duì)氣液兩相流的均勻分配產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。所以保證氣液兩相流均勻分配辦法是保持下游設(shè)備的一致性，包括管路的管徑、管路的長(zhǎng)度、分離器的尺寸和各個(gè)閥門的開度。

如前文所述，文獻(xiàn)中對(duì)于等氣液比的分配研究多于對(duì)等流量分配的研究。El-Shaboury等[30-31]對(duì)沖擊型T 形管處氣液兩相分流特性的文獻(xiàn)進(jìn)行了總結(jié)，詳細(xì)地討論了入口處氣體表面速度、液體表面速度、質(zhì)量和壓力的影響。一個(gè)新的參數(shù)——?jiǎng)恿客勘缺惶岢?，以此來解釋氣液兩相流的分流行為。?dòng)量通量比的定義如式(1)。

分層流和波狀流的相分配曲線如圖2所示，圖中給出了流型、入口質(zhì)量和動(dòng)量通量的比值。從圖中可以看出，數(shù)據(jù)存在一個(gè)連續(xù)的趨勢(shì)，隨著入口質(zhì)量的增加，圖中曲線圍繞點(diǎn)（0.5，0.5）逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在分層流和波狀流之間也是連續(xù)的。對(duì)于動(dòng)量通量比，在各個(gè)流型中存在一個(gè)連續(xù)的趨勢(shì)，而在兩種流型間是不連續(xù)的。El-Shaboury 將其歸因于計(jì)算過程中使用的持液率值不準(zhǔn)確，或除了動(dòng)量通量比之外，還存在影響相分布的其他影響因素。

圖2 分層流和波狀流的相分配曲線[30]

Mohamed等[32]研究了管徑和系統(tǒng)壓力對(duì)氣液兩相流在沖擊型T形管處的影響。實(shí)驗(yàn)表明，在整個(gè)測(cè)試范圍內(nèi)，管徑對(duì)相分布的影響很小。另一方面，在較小的入口速度下，系統(tǒng)壓力對(duì)氣液兩相的分流有顯著的影響，但是隨著入口速度的增加，這種影響逐漸減小。

1.2 豎直沖擊型T形管（α=90°,β=0°）

對(duì)于垂直沖擊型T 形管，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常有限。Azzopardi 等[7-8]對(duì)入口流型為環(huán)狀流和攪混流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。得出了氣液兩相分配不均勻?qū)θ肟跅l件非常依賴，T 形管處的質(zhì)量分配與水平?jīng)_擊型T 形管相似。Wang等[15-16]對(duì)氣泡流、攪混流和環(huán)狀流進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，但他們重點(diǎn)研究的是沖擊型T形管處的波動(dòng)特性。

1.3 水平入口-傾斜出口的沖擊型T 形管（α=0°，β≠0°）

Mohamed 等[19-20]以空氣和水為介質(zhì)對(duì)水平入口-傾斜出口的沖擊型T 形管管路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。由于重力的作用，液相傾向于向出口向下傾斜的管路流入，氣相更傾向于流入出口方向向上的出口，尤其是在分層流的情況下。在一定的傾角下，當(dāng)入口的表觀氣速和表觀液速在一定范圍內(nèi)時(shí)，氣液兩相可以實(shí)現(xiàn)完全分離。Tuo 等[33-34]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣表明，當(dāng)入口的質(zhì)量流量較低，存在光滑的氣液界面時(shí)，兩相流具有最好的分離效果。Mohamed等[35]2012年在入口為環(huán)狀流的條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明環(huán)狀流對(duì)于管路傾角的敏感度相對(duì)較低，且分離效果較差。圖3顯示了不同出口的傾角下氣液兩相完全分離時(shí)的分界曲線。當(dāng)入口的表觀氣速和表觀液速在分界曲線以下時(shí)，氣液兩相會(huì)發(fā)生完全的相分離，液相完全流入到向下傾斜的分支管路，氣相完全流入到向上傾斜的分支管路；當(dāng)氣液兩相流速都處于分離曲線上方的時(shí)候，氣液兩相不能完全分離，兩個(gè)分支管路中既有液相存在又有氣相存在。如圖所示，在兩個(gè)具有垂直方向出口的沖擊型T形管在不同的入口條件下相對(duì)于其他傾角都具有最佳分離性能。

圖3 各種傾角下兩相完全分離的分界曲線[20]

Zheng 等[36-37]對(duì)水平來流管與豎直分支管路結(jié)構(gòu)進(jìn)行相分離實(shí)驗(yàn)，并提出氣相弗勞德數(shù)對(duì)兩相在豎直沖擊T 形管處相分離的影響。隨著氣速的提升，氣液兩相的分離效率降低。Yang 等[38-39]認(rèn)為，對(duì)于宏觀T 形管，管徑對(duì)相分離的影響并不是很大，影響兩相分離的主要因素是重力與慣性力，這與Zheng 等的觀點(diǎn)一致。在此基礎(chǔ)上，Noor 等[40-41]采用了組合式的沖擊型T 形管，分離效率較單一T形管大幅度提升。

1.4 沖擊型T形管-向上傾斜的管路

Tshuva等[1]與王玲[42]研究了空氣-水在具有上傾角度兩個(gè)平行管道中的分布情況。在他們的研究中，平行管道傾斜的角度從0°到90°，管路中的流型為塞狀流和彈狀流。對(duì)于向上的傾斜管道，在低氣液速的條件下觀察到氣液兩相不對(duì)稱的流動(dòng)。非對(duì)稱流動(dòng)的區(qū)域隨著管路傾角的增大而增大。不對(duì)稱流動(dòng)是指所有的氣體和液體流向一根管道，而另一根管道為上下波動(dòng)的液柱。這種現(xiàn)象被稱作為極端偏流。Worthen 等[43]對(duì)此進(jìn)行了CFD 數(shù)值模擬，模擬結(jié)果產(chǎn)生了與實(shí)驗(yàn)類似的偏流現(xiàn)象。Tshuva等利用最小壓降原理來解釋這種現(xiàn)象。Taitel等[44]對(duì)4根傾斜的并聯(lián)管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，氣液兩相流在4 根并聯(lián)的管路中發(fā)生了不對(duì)稱流動(dòng)。Taitel等[44]和Pustylnik等[45]利用壓降分析和穩(wěn)定性分析的方法來解釋這種現(xiàn)象。Pustylnik 等[46]還研究了附加條件對(duì)兩相流分流的影響（在每根管道的頂部增加了孔板）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，孔板的加入減小了非對(duì)稱流動(dòng)的區(qū)域。而且值得注意的是，在以上的研究過程中，非對(duì)稱流動(dòng)是基于實(shí)驗(yàn)過程中的觀察，而不是量化測(cè)量的結(jié)果。

為了解氣液兩相流從單管到雙立管的分流情況，殼牌公司在阿姆斯特丹殼牌技術(shù)中心對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試[22]。在兩根立管的頂部，對(duì)氣相和液相進(jìn)行分離，然后對(duì)兩相分別進(jìn)行單獨(dú)的計(jì)量。在所有的實(shí)驗(yàn)過程中，水平來流管中為分層流或者為波浪流并帶有周期性的液塞。在兩根立管中觀測(cè)到了攪混流、彈狀流和氣泡流。在氣液速較低的情況下，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象（如圖4 所示），即一段時(shí)間內(nèi)所有的氣相和液相都從一個(gè)立管中流出（另一個(gè)立管為靜止的液柱），過一段時(shí)間后，氣相和液相從另一根立管中流出。這種現(xiàn)象與Tshuva等[1]的研究結(jié)果相同。Beekers[23]在高氣液速下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)氣液速在足夠大的情況下，能確保兩根立管中流型為環(huán)狀流，當(dāng)氣液兩相流流經(jīng)沖擊型T形管時(shí)，始終保持等流量分配。

圖4 沖擊型T形管兩根立管中反轉(zhuǎn)狀態(tài)[22]

據(jù)了解，沖擊型T形管后接有雙立管的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不對(duì)稱流動(dòng)的情況，主要是由于兩根立管中的壓降以及流動(dòng)狀態(tài)不同所產(chǎn)生的。Ma 等[47]在對(duì)沖擊型T形管后接有雙立管進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩根立管中流量產(chǎn)生不均勻分配時(shí)，兩根立管中的壓降產(chǎn)生較大的差異，將雙立管中的流動(dòng)狀態(tài)劃分為三種（如圖5所示），分別為彈狀流-彈狀流、攪混流-攪混流和彈狀流-攪混流。結(jié)果表明只有在攪混流-攪混流的狀態(tài)下，氣液兩相流在兩根立管中才處于均勻分配的狀態(tài)。

圖5 水平-立管系統(tǒng)中氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)[47]

綜合以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)T形管兩個(gè)出口保持在水平方向時(shí)，如果下游管路處于完全對(duì)稱條件，氣液兩相流在經(jīng)過沖擊型T形管時(shí)，兩相流的流量始終保持均勻分配。在分支管路出口傾斜的情況下，氣相和液相更趨向于兩根不同的分支管路。但是在沖擊型T形管后接有傾斜管路時(shí)，即使各個(gè)并聯(lián)管路處于完全對(duì)稱的情況下，兩相流的流量在分支管路中也可能出現(xiàn)不均勻分配的情況。

2 預(yù)測(cè)模型

多年來人們對(duì)分支型T 形管建立了大量的模型。Reimann 等[48]通過T 形管處簡(jiǎn)化的流場(chǎng)建立了氣液兩相流的壓降模型，認(rèn)為T形管下游的壓降是由于T形管處的突然擴(kuò)張所引起的，通過計(jì)算管路中兩相流的平均密度與速度比可以計(jì)算出兩相流的壓降，所建立的模型在低液速的情況下對(duì)壓降的預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確。Seeger 等[49]基于對(duì)分支管中質(zhì)量比與質(zhì)量通量比所建立曲線的觀察，建立了兩相流的分流模型，所建立的分流模型對(duì)于分支管路向上的環(huán)狀流和分層流比較適合，對(duì)于完全水平的分支管路，在質(zhì)量通量比較高的情況具有較好的預(yù)測(cè)精度。Shoham 等[50]認(rèn)為氣液兩相在分支管處的分流主要取決于液相的慣性力和向心力之間的關(guān)系，并且摒棄了壓降的影響，基于流線的劃分法建立了氣液兩相流分流模型，并提出氣相和液相存在兩條不同的分流邊界，所建立的模型在分層流、波浪流和環(huán)狀流時(shí)能夠較好地預(yù)測(cè)氣液兩相流的分流結(jié)果。對(duì)于分支型T形管，以往學(xué)者所建立的壓降模型和分流模型具有較好的預(yù)測(cè)能力，但是對(duì)于沖擊型T形管的建模卻很少，主要是由于下游管路持液率以及管路壓降難以準(zhǔn)確計(jì)算。下面從經(jīng)驗(yàn)、現(xiàn)象以及機(jī)理模型對(duì)沖擊型T形管處兩相流分流預(yù)測(cè)進(jìn)行介紹。表2總結(jié)了以往文獻(xiàn)中沖擊型T形管處氣液兩相分流預(yù)測(cè)模型。

表2 氣液兩相分流預(yù)測(cè)模型

2.1 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀糜陬A(yù)測(cè)T形管處氣液兩相流的分流情況。這種經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突谔囟ǖ膶?shí)驗(yàn)，沒有或幾乎沒有理論的支持，實(shí)用性比較局限。

Chien和Rubel[10]建立了一種用于預(yù)測(cè)水平?jīng)_擊型T形管處氣液兩相流分流的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｔ摻?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c入口的流型無關(guān)，并認(rèn)為入口處的氣液比是影響氣液兩相分布的唯一影響因素。將模型的預(yù)測(cè)值與Azzopardi 等[7]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，在較高的氣液比下，模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合，預(yù)測(cè)精度在10%左右，但是該模型所受壓力影響較大，所適用范圍在2.758～4.137kPa之間，在氣液比低于0.25的情況下預(yù)測(cè)偏差較大。

Hong 和Griston[11]提出了一種預(yù)測(cè)氣液兩相流在沖擊型T 形管處相分布的預(yù)測(cè)模型，與Chien 和Rubel[10]提出的模型相比較，除了在低氣量和低氣液比的條件下，其他情況與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)都能夠較好地吻合。該模型也與入口的流型沒有關(guān)系。如果入口的蒸汽干度低于0.7 且分支管路中氣相與主管路中的氣相比值低于0.2，則存在較大的預(yù)測(cè)偏差。但是值得注意的是，該模型并不滿足質(zhì)量守恒。El-Shaboury 等[31]指出，該模型并不適用于入口流型為氣泡流、塞狀流和彈狀流的條件。

2.2 現(xiàn)象學(xué)模型

現(xiàn)象學(xué)模型是在實(shí)驗(yàn)觀察和理論考慮的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，比經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ透毡椤?/p>

Hwang[51]建立了一種現(xiàn)象學(xué)模型預(yù)測(cè)氣液兩相流在水平分支管路中的分布狀況，同時(shí)也適用于帶有沖擊型T 形管的管路[9]。該模型是基于流線劃分法，并適用于所有入口流型。該模型的基本思想是，對(duì)于每個(gè)階段，都存在一個(gè)影響區(qū)域，其邊界是對(duì)應(yīng)相位的分流線，如圖6所示。在分流線(b)左側(cè)從入口進(jìn)入的所有液體將從出口3中流出，其他的液體將從出口2中流出。氣相的分配方式與液相的分配方式相同，其在出口2和出口3之間由分流線(a)所 限 定。Lahey[53]、Hart 等[54]、Ottens 等[12]、Peng和Shoukri[55]使用了類似的方法。Hart等[54]也采用流線劃分的方法，并且在他們的雙流線模型中使用了一維的方法，并且求解了兩相的伯努利方程。

圖6 Hwang模型的影響區(qū)和流線劃分[51]

Ottens 等[12]拋棄了Hart 等[54]之前的一些假設(shè)，建立了自己的模型，稱作為先進(jìn)雙流線模型，該模型的工作范圍適用于所有入口持液率的條件。所有流線劃分的模型都以Hwang的模型為基礎(chǔ)，并且局限于用新的方法去確定分流線的位置。

2.3 機(jī)理模型

El-Shaboury 等[17]利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了水平?jīng)_擊型T 形管處氣液兩相流分流的機(jī)理模型，利用T形管處的能量守恒，建立了氣液兩相壓降模型。對(duì)于環(huán)狀流和波浪流預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果相差在20%之內(nèi)。通過質(zhì)量守恒定律與動(dòng)量守恒定律，建立了沖擊型T 形管處相分布預(yù)測(cè)模型（如圖7 所示），預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較，預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度達(dá)到了30%之內(nèi)。但是該模型取決于入口的流型，對(duì)于分層流、波浪流和環(huán)狀流的預(yù)測(cè)比較準(zhǔn)確。預(yù)測(cè)值與Azzopardi 等[7]和Ottens 等[12]實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總體上吻合度比較好。Dabirian 等[56]利用最小能量原理，建立了沖擊型T形管處氣液兩相分流預(yù)測(cè)模型，對(duì)兩相流分流的預(yù)測(cè)誤差小于20%，但是所建立的模型并不能對(duì)分散氣泡流進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

圖7 T形管處的動(dòng)量平衡參數(shù)[17]

Janke等[57]針對(duì)水平入口和傾斜出口的沖擊型T形管建立了氣液兩相分離模型，是基于沉降理論，但是只針對(duì)于入口條件為分層流的條件，并不適用于其他流型。Ma等[47]基于水平-雙立管實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)建立了氣液兩相流分流預(yù)測(cè)模型，是基于最小壓降原理，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)沖擊型T形管下游雙立管的壓降，并能夠判定氣液兩相流流經(jīng)沖擊型T形管時(shí)兩相流流量能否在下游兩根立管中均勻分配。

氣液兩相流預(yù)測(cè)模型總體分為三種，分別為經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀F(xiàn)象學(xué)模型和機(jī)理模型。無論對(duì)于分支型T 形管還是沖擊型T 形管，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?duì)于預(yù)測(cè)條件的要求比較嚴(yán)格，只能預(yù)測(cè)特定管路條件下氣液兩相流的分流特性。對(duì)于分支型T形管，基于雙流線劃分的現(xiàn)象學(xué)模型具有更好的預(yù)測(cè)精度。對(duì)于沖擊型T形管，以能量守恒為基礎(chǔ)建立的壓降預(yù)測(cè)模型和以質(zhì)量守恒和動(dòng)量守恒為基礎(chǔ)建立的分流模型具有更好的預(yù)測(cè)精度。但是所有的預(yù)測(cè)模型都存在自身的局限性，不能實(shí)現(xiàn)全流型的覆蓋，在今后要不斷加深對(duì)氣液兩相流分流特性模型的研究，提高模型的預(yù)測(cè)精度以及適用范圍。

3 總結(jié)與展望

3.1 總結(jié)

本文從實(shí)驗(yàn)和模型的角度詳細(xì)回顧了氣液兩相流在流經(jīng)沖擊型T形管時(shí)的不均勻分配狀況。在很多情況下，“分布不均”通常被用于兩種含義：兩相流量的不均勻分布和氣液比的不同。

水平?jīng)_擊型T形管當(dāng)管路和下游設(shè)備保持對(duì)稱的情況下，兩相流始終處于均勻分配的。當(dāng)調(diào)節(jié)分離器后氣相出口閥門時(shí)，氣液流量在沖擊型T形管處均產(chǎn)生不均勻分配，且氣相的偏流程度始終大于液相的偏流程度。

對(duì)于豎直沖擊型T形管，其氣液兩相流的分流結(jié)果與水平型T形管完全相似。

對(duì)于水平入口傾斜出口的沖擊型T形管，大多作為小型分離器來應(yīng)用，氣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傾斜的分支管路。這種分流情況主要與傾斜管路的角度和入口氣相的弗勞德數(shù)有較大關(guān)系。

當(dāng)管路的結(jié)構(gòu)為水平管-雙傾斜管路或者水平管-雙立管的情況時(shí)，在較低的氣液速情況下，即使下游管路處于完全對(duì)稱情況，兩相流在經(jīng)過沖擊型T形管時(shí)始終不能處于均勻分配的情況。隨著氣液兩相流的流速不斷增加，兩相流不均勻分配的情況消失，T形管下游的兩根管路始終處于均勻分配的狀態(tài)。此時(shí)關(guān)閉分離器出口的氣相閥門，對(duì)氣相的分流產(chǎn)生較大的影響，但是對(duì)于液相流量并沒有明顯的影響。

3.2 展望

結(jié)合本文的分析可以看出，對(duì)于沖擊型T形管處的氣液比分配不同的情況，流型是關(guān)鍵的參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中常見的穩(wěn)定流型有分層流、波浪流和環(huán)狀流。關(guān)于T形管處的段塞流以及其動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有限，有待進(jìn)一步研究。

沖擊型T形管處的氣液兩相流量分配不同。對(duì)于水平管路來說，在保持下游管路條件對(duì)稱的情況下，并不會(huì)產(chǎn)生流量分配不均勻的狀況；但是對(duì)于傾斜管路或者立管，即使T形管下游管路保持完全對(duì)稱，也會(huì)產(chǎn)生不均勻分配的狀況。

（1）在氣液兩相流經(jīng)過T 形管時(shí)，T 形管兩側(cè)出口的界面高度會(huì)有所不同，通過界面測(cè)量技術(shù)測(cè)量液面高度差，以探究液面高度差對(duì)氣液兩相流分流的影響。

（2）研究立管中不同的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)氣液兩相流的分流影響（目前實(shí)驗(yàn)并沒有對(duì)環(huán)狀流進(jìn)行測(cè)試），并與動(dòng)量平衡理論相結(jié)合探究入口氣液速對(duì)立管中氣液流動(dòng)狀態(tài)的影響。

（3）提出提高T形管處氣液兩相流分流模型的預(yù)測(cè)精度的方法，由于氣液兩相流分流模型主要是基于下游管路壓降的計(jì)算，而影響壓降計(jì)算的主要參數(shù)是管路中的持液率，所以需要建立更加準(zhǔn)確的持液率計(jì)算模型，來預(yù)測(cè)氣液兩相流經(jīng)過T形管后的分流情況，以加深對(duì)T形管處分流機(jī)理的認(rèn)知。

符號(hào)說明

a,b—— 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

D—— 管徑，mm

F—— 支管中液相體積分?jǐn)?shù)與入口氣相平均速度的乘積

Fg—— 氣相采出比例

Fl—— 液相采出比例

HL—— 管路內(nèi)持液率

K—— 單相摩擦損失系數(shù)

—— 入口動(dòng)量通量比

m—— 總質(zhì)量

R—— 流線曲率半徑

Re—— 雷諾數(shù)

Res—— 表觀雷諾數(shù)

U—— 平均速度，m/s

Ud—— 漂移速度，m/s

Us—— 表觀速度，m/s

V—— 液相體積比

w—— 總質(zhì)量流量，kg/s

x—— 氣相質(zhì)量

α—— 主管路軸線與水平面的夾角，（°）

β—— 分支管路與水平線的夾角，（°）

γ—— 作用在氣體上離心力與阻力之間的角度

ΔP—— 壓降，Pa

δ—— 入口管分流線位置

ρ—— 密度，kg/m3

下角標(biāo)

g—— 氣相

l—— 液相

mix—— 混合

1—— 入口

2—— 出口2

3—— 出口3