彈狀流

彈狀流作為氣液兩相流中十分常見的流型之一，在長距離石油運輸管道，核電機組，化工廠等眾多工業過程中存在，並隨不同場合的生產工藝的要求，有著不同的作用和影響。

基本介紹

• 中文名：彈狀流
• 外文名：slug flow
• 學科：能源，化工
• 相關領域：氣液兩相流

簡介

由於流動結構與條件的不同，氣液兩相流在流動過程中會產生幾種非常有代表性的拓撲結構，由此研究工作者將不同的流動狀態劃分為不同的流型。氣液兩相流在水平管道中的流動結構一般分為六種，即：細胞狀、柱塞狀，分層、波狀、彈狀和環狀等流動結構。每一種流動結構都對應相應的流型，其中，彈狀流作為一種典型的常見流型，對它的研究受到了國內外許多學者的廣泛重視。

彈狀流作為常見的流型之一，存在於比較寬廣的流動參數範圍內。在許多工業領域，如油氣井、油氣運輸管線、蒸汽發生器以及核反應堆中，氣液兩相流在許多情況下是以彈狀流的形式出現的。彈狀流是液塞和充滿整個管徑的大氣泡（Taylor氣泡）交替出現的，間歇性和不穩定性是它的最主要特徵。由於其流量波動和壓力波動都非常大，會給下游設備帶來很大的影響。

形成機理

由於垂直管彈狀流在工業套用中的重要地位，有關學者對垂直管彈狀流已經做了非常多的研究，但是對其形成機理還沒有統一的認識。有些學者認為氣體流量的增大造成氣泡逐漸合併，最後形成彈狀流；有些學者認為是因為空隙率波的不穩定性導致氣泡突然合併，形成彈狀流。

部分研究者的觀點具體如下：

王躍社等對垂直管彈狀流的形成和發展進行了實驗研究。該研究利用高速動態分析儀優良的可視化特性，將Weisman針對水平管流型轉化提出的轉化過渡區的概念引入到垂直管多相流流型轉化的研究中來，並首次量化出轉化過渡區的上、下邊界。研究發現其形成過程如下：將少量氣體以低速引入運動的液體中時，氣相被彌散成小氣泡，此時流態是泡狀流;隨著氣體流量增加，液體中氣泡密度也急劇增大，當氣泡尺寸大於臨界尺寸（在低壓空氣/水系統中為1.5 mm）時，氣泡開始聚集合併，原有的泡狀流流型開始發生變化；當圓頂狀氣泡形成時，其尾跡的卷吸作用使得後續氣泡相對速度提高，碰撞也不斷加劇，氣泡形狀和軌跡變得雜亂無章，這時流動由泡狀流向彈狀流過渡轉化,直至表征彈狀流的彈狀Taylor氣泡形成，整個氣泡合併過程趨於終止，彈狀流形成。

Moissis認為：由於小氣泡之間的碰撞導致了氣泡合併，最終形成了直徑與管徑相似的大氣泡，從而形成了彈狀流。泡狀流只是一個過渡流型，它給予小氣泡足夠的碰撞時間，最後發展成彈狀流。因為在空隙率為0.25~0.30時碰撞速度會急劇增加，他們提出了一個彈狀流形成的空隙率標準。

Taitel等也認為氣泡的逐漸合併是彈狀流的形成機理，但他們認為如果氣泡合併和氣泡破裂由於流體的脈動而達到平衡的話，分散泡狀流可以保持下去。從另一個角度來說，直徑小於4 mm的氣泡集中在管壁附近，並沒有形成氣泡簇的趨勢；即使空隙率增加到高達35%，這些氣泡仍只是簡單地聚集在一起。在一定的空隙率下，整個管道氣泡突然合併形成紊亂結構，此時氣體速度稍微有些增加就會導致彈狀流的出現。

Cheng等對泡狀流到彈狀流的轉換做了進一步的研究。他們發現：

（1）傳統的彈狀流在150 mm管徑中不會出現，隨著氣體流量的增加逐漸過渡到塊狀流動。

（2）氣泡尺寸隨著管段高度的增加而降低，而氣泡出現的頻率卻隨著管段高度的增加而增加。這說明在高氣相速度下，氣泡是破裂而不是合併。

（3）在150 mm管徑中，保持液相流量不變，增大氣相流量，當觀察到大的流體結構時，獲得因子逐漸增加並超過1.0，但是在保持氣相流量不變、降低液相流量時，儘管已經觀察到同樣的轉變且系統獲得因子保持在1.0以上，卻沒有觀察到如此明顯的趨勢，因此獲得因子不能作為轉換的判斷依據。

（4）在管徑為28.9 mm的情況下，保持液相流量不變、增大氣相流量將會導致彈狀流突然產生，同時獲得因子變換到大於1.0。這一突然轉變說明彈狀流的形成是由於系統的不穩定性造成的，而不是氣泡的逐漸合併。

關於彈狀流的研究

最小穩定液彈長度

彈狀流中存在兩種類型的液彈：穩定的長液彈及發展中的短液彈。液彈長度不僅對計算彈狀流壓降至關重要，而且也是彈狀流模型中一個重要的輸入參數。近年來，許多研究者在液彈長度方面做了大量的實驗和理論研究，得出垂直上升流動中最小穩定液彈長度為8D～ 25D（D為管徑）。一般認為，穩定液彈長度是使液彈尾部液體速度達到充分發展所需要的長度。

Taylor氣泡的運動

在彈狀流中，大部分氣體存在於Taylor氣泡內，Taylor氣泡運動的信息同截面含氣率和壓降都有關係。其運動速度是描述氣液彈狀流流動特性的一個重要參數，因此，對於Taylor氣泡運動速度的研究具有非常重要的意義。

彈狀流特徵速度提取方法

Dukler和Hubbard於1975年提出了基於水平管彈狀流的“單元細胞模型”，用重複的單元結構描述彈狀流的間歇特性。其中每個單元主要包括液塞和長氣泡兩個部分，同時他們在單元結構中第一次引入了混合區域的概念，用來描述液塞前端的液相抬升以及液塞尾部液面降落的過程，同時他們在模型的平衡公式中假設抬升速度和降落速度相同，從而保證液塞形態的相對穩定。該模型可以對壓力梯度，彈狀流頻率以及液塞長度進行估計。後人的研究大多都是在這個模型的基本框架下進行的。

彈狀流中小氣泡跟蹤方法

在彈狀流流動過程中，氣彈頭部經常會出現與液塞中離散氣泡發生相互作用的情況，觀察發現這些離散氣泡多數是在氣彈尾部，氣液劇烈相互作用的區域生成的，研究這些氣泡的運動規律將有助於理解彈狀流的中氣、液兩相互相作用的內在機理。

關於氣泡運動規律的研究可以追溯到1965年，Moore等人對氣泡的上升運動進行了研究。Mishima等人1993年對小管徑垂直管內的氣泡運動規律進行了研究。王紅一等對上升氣泡的體積計算方法進行了改進，並對垂直管段中的氣泡運動特性進行了研究。國內的研究者採用Mean-shift算法對離散的小氣泡運動進行跟蹤，對這些小氣泡的運動速度進行提取，並分析氣泡的位置分布與其運動速度之間的關係，進而分析彈狀流液塞內部的流動機制。