油水两相管道内分散流液滴形成机理与流动特性研究

液滴是油水分散流的最主要特征，液滴从产生到形变、聚合和破裂的过程中，都伴随着油水两相流的相间质量、动量和能量传递，因此，液滴的变化过程及其微观结构对于研究油水两相流流动特性具有重要意义。本研究基于油水混输管路中油水相分布以及界面结构的特点，将油水相界面分为连续界面和非连续界面两类，从微观结构上分析油水两相流从连续界面到非连续界面的变化过程，探索油水两相分散流中液滴的形成过程，从多相流体力学本质上揭示分散流中液滴的形成机理。采用能量平衡法，综合考虑外部能量输入、液滴群的界面能，建立分散相液滴粒度模型；通过分析液滴的破裂和聚合过程，确定其发生的临界条件，建立液滴破裂概率模型和液滴聚合概率模型；综合上述影响获得油水两相分散流的液滴平均粒径预测关系式。结合分子动力学与界面自由能理论，根据反相过程中油水相界面的结构变化规律，探索油水两相流的反相机理，从而获得油水分散流反相点预测模型。

摘要：液滴是油水分散流的最主要特征，液滴从产生到形变、聚合和破裂的过程中，都伴随着油水两相流的相间质量、动量和能量传递，因此，液滴的变化过程及其微观结构对于油水两相流的研究具有重要意义。本研究建立了可控温油水两相流试验系统，自制了等动量取样装置，采用高速摄像、显微照相等获取了粒径等数据，利用理论结合实验的方法，研究了油水两相流液滴形成机理和流动特性。本研究基于油水混输管路中油水相分布以及界面结构的特点，将油水相界面分为连续界面和非连续界面两类，从微观结构上分析了油水两相流从连续界面到非连续界面的变化过程，探索了油水两相分散流中液滴的形成过程，揭示了分散流中液滴的形成机理。深入研究了混合流量、温度、相含率、内外相粘度等因素对油水两相分散流液滴粒径及其分布的影响规律。通过研究湍流脉动动能与乳状液的界面能之间的平衡、管流径向速度脉动与摩擦速度之间的关系和泵的剪切作用，建立了油水两相管流中分散相液滴平均粒径预测模型。引入界面能对压力梯度的影响，考虑了液滴微观特性对宏观性质的影响，建立了与液滴特征相关的油水混合粘度模型和压降模型。研究了油水反相过程中液滴的变化过程，考虑了油水界面发生变化时产生的能量消耗，建立了油水反相压降模型，并得到了不同性质油品时与体系界面能相关的一项的系数。