2. 常州大学石油工程学院, 江苏 常州 213164
2. School of Petroleum Engineering, Changzhou University, Changzhou Jiangsu 213164, China
20世纪50~60年代，人们发现气液两相流流经T形管后，两相在2个分支出口管内的分布总是不均匀的，这种两相流在T形管处的相分离现象会对T形管下游设备的性能造成难以预计的影响[1]。因此，此后一段时间广泛开展了这种两相流在T形管处相分离的研究，主要以实验研究为主，采用黑箱方法，研究相分离与实验条件的关系，获得了大量的实验数据[2]，同时做了一些模型化探索[3, 4, 5]。
对T形管内两相流相分离机理的理解方面，早在1954年，McNown[6]就报道了单相流体流经T形管时的流体分配关系，认为从侧支管采出的流体来自于主管截面上最靠近侧支管的那部分流体，Azzopardi和Whalley[3]、Shoham等[4]以及Yang等[5]沿用了McNown的想法，认为两相流在T形管处的相分离机理为几何分割，即在主管截面最靠近侧支管处，切割出一块，在其内的流体，全部流向侧支管，由此形成几何分割模型。然而大部分的实验结果与此模型并不相符。Shoham等认为两相在转向侧支管时，由于圆弧运动而出现离心力，而两相物性的差异会造成不同的离心力，从而有两相不同的几何分割，进而对几何分割模型进行修正。即便如此，许多实验数据也无法用这一修正的几何分割模型来模拟。许多研究者[6, 7, 8]也进行了类似的修正，但其模型也只是与部分实验结果相符。这表明相分离机理的这种几何分割理解是片面的。Seeger等[9]通过对实验数据进行关联得到经验模型，也只能局限于一定的实验条件，不能被广泛采用。另一种模型方法是两流体模型[10, 11, 12]，对各相流体建立运动方程，利用已知边界条件进行计算机数值求解。由于一方面两相流的界面条件较为复杂，容易使模型简化和计算出现问题，另一方面对相分离机理认识的误区，也使模型简化走入误区，甚至过于理想化，所以其模型和模拟结果与实际还有不小的差距。
根据牛顿第二运动定律，对于流体而言，外力的矢量和等于动量流率的增加[13]。据此仔细分析两相流在T形管处的流动，发现流体流向侧支管的根源是突然出现的侧支管方向的压差力。而在这种压差力作用下在主管截面上具有速度分布和空间分布的两相流体流动行为的差异才造成了相分离。为了探索不同外力条件下两相流在T形管处相分离的机理，本文利用180°弯头对流体提供一定的离心力，将T形管设置在180°弯头上，并以密度相差较大、便于观察、清洁易得的空气-水为气液两相流动介质，以体现重力(或浮力)的差别，通过改变180°弯头放置方式、入口流型和气液流速，改变180°弯头上T形管内流体受力的构成和大小以及两相的入口动量大小，研究其对相分离的影响。 1 实验部分 1.1 180°弯头的T形管形状与结构
实验中，T形管采用如图 1所示的180°弯头上的T形管，T形管的侧支管(Branch)位于回弯头中心线上，180°弯头的管中心线曲率半径为25mm，管内径为10mm。放置方式分别为入口主管(Inlet Tube)垂直向上和垂直向下2种，以彰显离心力和重力/浮力的作用。
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| 图 1 180°弯头上的T形管示意图 Fig. 1 T-junction on a 180° return bend |
图 2为主管垂直向上放置时装置实验流程示意图。空气从空气压缩机1排出，进入缓冲罐2，流经转子流量计6计量后，进入混合器7。水由离心泵4 从水槽3中抽出，流经转子流量计5计量后，也进入 混合器7。气液两相在混合器7中混合后，流向180°弯头，混合物通过180°弯头T形管被分流。一部分流入向上侧支管的气液混合物经过旋风分离器9进行分离，空气经过湿式流量计10计量后排入大气，水则用计量槽13进行计量。另一回流支管(Return Tube)流出的混合物进入缓冲罐11，气体从罐11的顶部排入大气，水从底部流入水槽12。空气在缓冲罐2内的表压始终维持在0.1MPa，空气温度维持在25±2℃。为使进入180°弯头8前的流型充分发展。混合器7到180°弯头8之间的距离为管径的280倍。
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| 1-压缩机；2-储气罐；3-水槽1；4-离心泵；5-液体流量计；6-气体流量计；7-混合器；8-180°弯头T形管；9-旋风分离器；10-湿式流量计；11-缓冲罐；12-水槽2；13-水槽3；14-压力表 图 2 主管垂直向上放置时的实验流程图 Fig. 2 Schematic diagram of experimental facility for vertically upward inlet tube |
主管垂直向下放置时流程图中混合器7位置提高，气流从混合器顶部进入，液体由泵输送水平方向进入混合器，向下的管路与180°弯头入口主管连接，弯头底部侧支管出口与缓冲罐11相连，回流支管与旋风分离器9连接，其余部分与主管垂直向上放置时相同。 1.3 实验流型及实验点的选取
图 3为Taitel等人[14]的垂直向上管道中气液两相流的流型图。横坐标为气体表观速度，纵坐标为液体表观速度。因本实验所用管内径为10mm，与此流型图对应的管径30mm不同，所以特别考察了本实验条件下的空气-水两相流流型，发现气速在等于或大于6.75m/s时便出现环状流，其他流型区与原图基本一致。在条件允许的情况下，本实验在鼓泡区和环状流区设计了实验条件点(见图 3)，前者气液两相流动速度相近，后者气速远高于液速，以考察两相流入弯头和T形管时流型和原始动量差别对相分离的影响。图 3中，鼓泡流的气体流速分别是0.0143、 0.0224和0.0430m/s，液体流速分别是0.187、0.288和0.389m/s； 环状流气体流速分别是7.486、10.19和12.90m/s，3组液体流速同上。
根据Barnea等人[15]得到的主管垂直向下时气液两相流的流型图，在实验条件允许的情况下，本实 验选取的实验点为环状流，气体流速分别是4.78、 6.95和9.11m/s，液体流速分别是0.187、0.288和0.389m/s。实验观察到这些条件下的实际流型也为环状流。 2 实验结果与讨论
入口主管垂直时180°弯头的放置方式有入口主管垂直向上和主管垂直向下2种方式。T形管处的相分离主要受到管道截面上的相分布(即流型)以及各相合力作用的影响。
垂直管道中两相流的流型有多种形式，如鼓泡流、环状流等。流型变化时，两相流体在管截面的构造发生了变化，而且各相的动量也发生了变化。当气液两相为鼓泡流时，气体以较小的气泡形式漂浮在液相中，与液相一起向前流动，气液两相的实际流速相差不大，而且气泡容易向管中心聚集，以避免管道壁面的阻滞，但由于密度的差异，液体的动量大于气体的动量。在环状流时，气体夹带着少量液滴在管子中心高速流动，大部分液体在管道壁面的周围被气流携带流动。因液体在壁面上有动量损失，气体动量大于液体动量。这些都会对两相在弯头处T形管上的相分离产生很大影响。
分析两相流在180°弯头上T形管处的受力情况，可以发现侧支管方向的力，除了压差力外，对气体而言还有离心力、重力和/或浮力。单位体积气体的离心力可以用下式计算，
而重力为， 单位体积气泡在液体中的浮力可以用下式计算， 式中：ρG为气体密度，uG为气体实际流速，r为流道曲率半径，g为重力加速度。
而对于液体主要有离心力和重力，将液体的密度和液体实际流速代入(1)、(2)式中即可算得。
这些力在侧支管方向的合力对两相流在弯头上T形管处的相分离至关重要。 2.1 主管垂直向上 2.1.1 入口流型的影响
图 4显示了入口主管垂直向上时入口流型对相分离的影响。此时，鼓泡流和环状流的气体流速分别 为0.043和10.19m/s，液体流速均为0.288m/s。 图中纵坐标为液相在侧支管的采出分率(液相采出分率)，即液相流入侧支管的质量与入口主管中液相总质量之比，横坐标为气相采出分率，即侧支管与主管中气相质量之比，对角线为两相均匀分布线，即两相流经T形管后，2个出口的各相浓度与入口一致，无任何相分离。由图 4可见，2种流型下的相分离现象出现了根本性的区别。鼓泡流 时，相分离数据全部落在均匀分布线的下方，说明气相采出占优。并且在气相采出分率较小时，数据点落在横坐标上，说明从侧支管流出的全是气体，没有液相采出。而环状流时，数据点绝大部分落在均匀分布线的上方，只有当采出分率在80% 左右时部分数据点落在均匀分布线下方，说明随着采出分率的增加，先是液体采出占优，随后气相采出略占优势，最后还是液相采出占优。
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| 图 4 主管垂直向上时流型对相分离的影响Fig. 4 Effect of flow pattern on phase split for vertically upward inlet tube |
引起这种不同相分离现象的主要原因是弯头处流体所受合力的不同。在鼓泡流时，当气泡流入弯头 时所受的浮力、重力和离心力之比约为9810∶19.6∶ 7.2 ，而随气泡一起流动的液体的重力和离心力之比为9810∶3317。此时气泡受到的浮力远大于它所受的重力和离心力，液体所受的重力却大于离心力，从而使气泡在合力作用下更容易从弯头顶部的侧支管中流出，而液体在弯头处更多受重力支配，大部分折弯后向下往回流支管流动。所以此时气相采出占优，而且相分离程度也较大，甚至在采出分率很小时，侧支管只有气体流出。图 5(a)为图 4中鼓泡流时相分离数据点a处的T形管内流型变化情况:主管中由一串一串的气泡构成的鼓泡流，在弯头处气泡聚集长大后，在浮力作用下突破液体阻力进入侧支管，在侧支管中以接近搅拌流(Churn)或环状流的方式流出侧支管；而小部分气体受T形管后角切割并被液体主体携带流到弯头后部的顶端，稍作停留，被波动的液体带离回流支管。
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| 图 5 主管垂直向上时弯头处流型的变化Fig. 5 Flow pattern transition around the bend for vertically upward inlet tube |
在环状流时，管中心气流中液滴的流速很大，其单位体积流体的离心力与重力比约为3 240 000∶9810，离心力是重力的330倍；气体的离心力与重力比为8306∶19.6；尽管壁面液膜的离心力要小很多，但这部分液膜的离心力依然比重力大了数十倍。当液膜流向弯头时，在离心力作用下，更多液膜会高速冲向侧支管流入口，并在剪切力作用下将部分气流以小气泡方式卷入侧支管口；这部分流体在侧支管压差力作用下流入侧支管，其中侧支管入口的大量小气泡会间歇性聚集成一个子弹型大气泡，并在浮力作用下逃离这个液体高速旋流区。另一方面，高速气流会将弯头下部的部分液膜吹成小液滴，这些液滴一部分在离心力作用下与液体主体碰撞后进入侧支管，另一部分液滴随高速气流流向回流支管，回流支管中的流型为环状流，此时侧支管中液体采出占优。图 5(b)为此时的流型变化情况,对应的操作条件为图 4中环状流时相分离点b。而增加侧支管的采出分率到一定程度后，进入侧支管口的高速气流增加。侧支管中心气体为连续相，液体大多为液滴，在离心力和原有动量作用下，这些液滴大多会冲向侧支管后壁而成液膜；随着液膜增厚，会间歇性掉落，被流向回流支管的 气流带入回流支管。相对而言，有稍多的气体进入了侧支管，造成了采出分率在80%左右时的气相采出占优。进一步提高侧支管的采出分率，会将侧支管后壁的液膜也全部带入侧支管，而部 分气流依然能在回流支管内流畅流动，所以此时又恢复到液相采出占优。
根据以上相分离实验结果分析得出的规律，可以分析入口主管垂直向上时其他流型条件下相分离的规律性。在分散鼓泡流(Dispersed Bubble)时，气泡的浮力依然占优，气泡会在弯头顶部聚集，侧支管内依然是气体采出占优。但由于液体流速更大而气泡更小，使气泡聚集更难，从而消弱这种气体采出的优势，所以这种流型下，气体采出占优，但相分离程度减小。而图 3中其他的2种流型均为间歇性流型，可以期望柱塞流(Slug Flow)时，由于管中心处较鼓泡流时有更大的气泡和更多的气柱，气相依然可以优先从侧支管采出。在搅拌流(Churn)流型下，气体的浮力和液体的离心力之间的竞争会比较激烈，给哪一相优先采出带来不确定性，需要用实验进一步验证和考察其相分离的具体情况。 2.1.2 气体流速的影响
图 6为主管垂直向上鼓泡流时气体流速对相分离的影响。此时液体流速均为0.288m/s。由图可知：所有数据点都在对角线下方，说明都是气相采出占优；随着气体流速增加，相分离数据更靠近两相均匀分布线，说明相分离程度下降，分离效果变差。由图还可以看出，在采出分率较小时，相分离数据落在横坐标上，说明此时没有液相采出，侧支管中流出的全是气体，回流支管中流出的是气液混合物。同理当气相采出分率为100%时，侧支管中流出的是全部的气体和部分液体，而回流支管中没有气体、只有部分液相流出。而随着气体流速的增加，气相和液相分别单独流出侧支管和回流支管的操作范围变窄。这种现象的原因是：在鼓泡流时增加气速，往往气泡数增加，并增加了两相的波动频率，给气泡在弯头顶部的聚集增加了难度，从而使得相分离更加困难。
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| 图 6 主管垂直向上鼓泡流时气体流速对相分离的影响Fig. 6 Effect of gas velocity on phase split for vertically upward inlet tube and bubble flow |
图 7为主管垂直向上环状流时气体流速对相分离的影响。此时液相流速为0.288m/s。由图可见：随着采出分率增加，相分离数据呈倒S形排列，数据点先是在两相均匀分布线的上方逐渐远离该线，随后慢慢靠近均匀分布线，此时液相采出占优。2组小的气体流速时，在采出分率70%~80%处，数据点落到两相均匀分布线的下方，此时气相采出占优。随后数据点出现回翘。在采出分率小于60%时，气速越大，相分离数据越远离两相均匀分布线，即相分离程度越高。主要原因是：增大气速，液体受气体带动，流速也加快，在弯头处受到的离心力也增大，使得进入侧支管的液体量增加，从而使液体采出分率增加。
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| 图 7 主管垂直向上环状流时气体流速对相分离的影响Fig. 7 Effect of gas velocity on phase split for vertically upward inlet tube and annular flow |
图 8为主管垂直向上鼓泡流时液体流速对相分离的影响。此时气相流速为0.043m/s。由图可知：所有数据点都在对角线下方，气相采出占优；随着液体流速的增加，数据点逐渐靠近两相均匀分布线，说明液体流速增加导致相分离效果变差。这主要是因为液体流速增大，一方面气泡变小，分散更均匀，另一方面液相在弯头处的离心力更大，这些因素不利于气泡在弯头顶部的聚集和在侧支管的优先采出，从而使分离效果变差。
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| 图 8 主管垂直向上鼓泡流时液体流速对相分离的影响Fig. 8 Effect of liquid velocity on phase split for vertically upward inlet tube and bubble flow |
图 9为主管垂直向上环状流时液体流速对相分离的影响。此时气相流速为10.19m/s。由图可见，数据点都呈倒S形排列，数据点先是远离均匀分布线，随后慢慢靠近均匀分布线，这时液相采出占优，当 气相采出分率为70%~90%之间时，数据越过均匀分布线，变成气相采出占优，当气相采出分率大于90%时，又变成液相采出占优。而且液体流速越大，相分离数据点越是远离两相均匀分布线。说明在这个流型下，加大液体流速加大了液体在弯头处的离心力，总体上有利于两相分离。
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| 图 9 主管垂直向上环状流时液体流速对相分离的影响Fig. 9 Effect of liquid velocity on phase split for vertically upward inlet tube and annular flow |
图 10为主管垂直向下环状流时气体流速对相分离的影响。此时液相流速为0.187m/s。由图可见:所有数据点都落在两相均匀分布线上方，并离该线较远。说明此时是液相采出占优，相分离程度较高。同时，气体流速越大，相分离数据离两相均匀分布线越近。说明此时增加气速，相分离效果变差。图 11为观察到的图 10中相分离数据c点的弯头附近两相流 动现象，此时液相流速0.187m/s，气相流速6.95m/s。 在垂直向下主管中的环状流一旦流到弯头处，由于弯头处液体向下的离心力和重力占主导，液膜高速流向侧支管，在剪切力作用下部分气流被液体卷入侧支管，并以气泡形式在侧支管口形成气泡分散环流区，部分小气泡会被液体间歇性带出侧支管；而在弯头上部，高速气流会将部分液膜吹成液滴，带入回流支管，并以环状流流出。随着气体流速的增加，液膜速度也 加快，会在气泡分散环流区带入更多的气泡，而且会 有更多的小气泡被液体带出侧支管；另一方面，气速增加，高速气流会将更多的液膜吹成液滴，从而有更多的液体随高速气流流入回流支管，因此不利于液相在侧支管的优先采出。
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| 图 10 主管垂直向下环状流时气体流速对相分离的影响Fig. 10 Effect of gas velocity on phase split for vertically downward inlet tube and annular flow |
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| 图 11 主管垂直向下环状流时弯头处的流型变化情况Fig. 11 Flow pattern transition for vertically downward annular flow |
图 12为主管垂直向下环状流时液体流速对相分离的影响。此时气相流速为6.95m/s。由图可见：大部分相分离数据在两相均匀分布线的上方，以液相采出占优为主。而且液体流速越大，相分离数据反而离两相均匀分布线越近。这与上文对力的作用的解释是不相符的。观察到的实验现象与图 11相似，增加液体流速，液膜流速和气速都会加快，会有更多气体被液体卷入侧支管口的气泡分散环流区，也会有更多的液滴被高速气流吹起，从而使两相分离效果变差。
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| 图 12 主管垂直向下环状流时液体流速对相分离的影响Fig. 12 Effect of liquid velocity on phase split at vertically downward inlet tube and annular flow |
以空气和水为气液两相介质，利用180°弯头上T形管分配气液两相流，在鼓泡流及环状流2种流型下改变气液流速，研究流体受到离心力、压差力以及重力(或浮力)等合力作用时对相分离的影响。得出如下结论：
(1) 侧支管方向的合力和两相流入口流型以及入口动量是影响两相流在T形管处相分离的最主要因素，其中各相侧支管方向合力的大小决定该相是否优先从侧支管采出；
(2) 主管垂直向上时，在鼓泡流条件下，气体主要受液体的浮力作用，液体主要受重力作用，侧支管中气相采出占优，随着气相和/或液相流速增加，相分离程度变差；在环状流条件下，液体离心力占主导地位，侧支管中以液相采出占优为主，气液流速的增加对两相分离有利；
(3) 主管垂直向下时，在环状流条件下，液体向下的离心力和重力占主导地位，向下的侧支管中以液相采出占优为主。由于弯头处高速液体将部分气体卷入侧支管口的气泡分散环流区以及高速气流将部分液膜吹成小液滴带入回流支管，气相和/或液相流速增加，不利于两相分离。
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