ЛЕКЦИЯ 5 6 СТРУКТУРЫ И ФОРМЫ ДВИЖЕНИЯ ГЖС

ЛЕКЦИЯ 5, 6 СТРУКТУРЫ И ФОРМЫ ДВИЖЕНИЯ ГЖС. ПЛОТНОСТЬ ИДЕАЛЬНОЙ И РЕАЛЬНОЙ ГЖС

Для математического описания ГЖ-потока принимается модель процесса: Ø Упрощенная схема движения Ø Математический аппарат, описывающий схематизированное течение Увеличение точности модели достигается увеличением объема информации (из экспериментальных данных), используемой для описания движения смеси

Модели газожидкостных потоков отражают течение газожидкостных смесей в трубах с различной степенью адекватности • Модели гомогенного течения • Модели раздельного течения (описывают пузырьковую и дисперсную структуру движения смеси) (описывают кольцевую и структуру движения смеси) пробковую

Структурные формы ГЖС • Имеют место только при движении ГЖС в каналах с замкнутым периметром течения • Отличаются взаимным расположением фаз и их дисперсностью Форма структуры определяется: Ø относительным содержанием фаз Ø скоростью смеси Ø диаметром и ориентацией трубы Ø свойствами фаз и границ их раздела От структуры потока ГЖС зависят основные характеристики движения многофазной смеси, т. е. при разных структурах расчеты потерь давления должны проводиться в соответствии с происходящими физическими процессами

Пузырьковая структура характеризуется движением газа в виде отдельных пузырьков малого по сравнению с диаметром Форма и пузырьков трубы размера, равномерно распределенных в сплошном потоке жидкости размеры определяются: 1) соотношениями между силами сопротивления при их относительном движении в жидкости 2) силой поверхностного натяжения

Пробковая структура (снарядная или четочная). С ростом газосодержания количество пузырьков в потоке возрастает, их взаимодействие усиливается, они начинают теснить и сдавливать друга При определенных свойствах газа и жидкости происходит их коалесценция и образуются пузыри, диаметр которых соизмерим с диаметром трубы Эта структура характеризуется периодическим прохождением крупных пузырей, между которыми движутся жидкостные пробки

Переходная структура (эмульсионная или вспененная) Образуется при дальнейшем росте газосодержания, приводящем к увеличению скорости и частоты газовых пузырей; обтекающая их жидкость сталкивается с жидкостными перемычками, вызывая завихрения, приводящие к вспениванию жидкости и разрушению газовых «снарядов» Структура характеризуется течением газожидкостной пены, в которой находятся крупные газовые включения неправильной формы, форма и объем этих включений постоянно меняются

Кольцевая или стержневая структура Газообразная фаза движется в центре трубы сплошным потоком, в котором распылена часть жидкой фазы, другая часть жидкости движется по стенке трубы в виде пленки, перемещаясь в направлении движения газа или находясь с ним в противотоке и совершая движения вверх пульсационного характера

Дисперсная (туманообразная) структура • мелкие капельки жидкости распределены относительно равномерно в потоке газа • относительное содержание фаз является далеко не единственным критерием, . Пузырьковая структура может существовать до значения газосодержания около единицы, когда движение ГЖС осуществляется в виде пены определяющим вид структуры • При одном и том же газосодержании в зависимости от влияния других факторов могут существовать пузырьковая, пробковая, или эмульсионная структуры, а при другом — пузырьковая, кольцевая или дисперсная

Модель гомогенного течения • ГЖС рассматривается в виде однородной среды с усредненными свойствами. Плотность смеси определяется без учета относительной скорости фаз • Структура потока, явления на границе раздела фаз не рассматриваются (считается, что система находится при термодинамическом равновесии) • Модель отличается простотой и описывается законами и уравнениями гидродинамики однофазного потока (уравнения неразрывности, движения и энергии +уравнение состояния смеси)

Модель раздельного течения • все характеристики фаз и потока рассматриваются отдельно для жидкости и газа, т. е. для каждой фазы записываются уравнения неразрывности, движения и энергии, которые решаются совместно с уравнениями состояния фаз и уравнениями, описывающими характер взаимодействия фаз между собой и со стенками трубы • Использование этой модели связано с трудностями, т. к. включения дискретной фазы различны по размерам и форме и случайным образом распределены в потоке • Когда фазы имеют четкую границу раздела (пробковая и модель позволяет описать газожидкостной поток на основе аналитических методов кольцевая формы течения), при минимуме используемых эмпирических соотношений и допущений механики однофазной жидкости

ОТНОСИТЕЛЬНАЯ СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ ГАЗА В ЖИДКОСТИ ЯВЛЯЕТСЯ ФУНКЦИЕЙ 1) архимедовой силы, определяемой • объемом газового пузырька • разностью плотностей жидкости и газа 2)силы, с которой жидкость препятствует движению—силы сопротивления, зависящей от: Ø размера газового пузырька Ø вязкости жидкости, в которой происходит его движение Ø физических свойств поверхности раздела

Формула Стокса позволяет определить g — ускорение силы тяжести, м/с2; Rп — радиус пузырька (R < 0, 05 см), м; рж, рг — плотность жидкости и газа, кг/м 3; μж — динамическая вязкость жидкости, Па*с. • скорость движения одиночного круглого твердого тела в жидкости при малых числах Рейнольдса • скорость всплывания газового пузырька малого размера в неподвижной жидкости

Формула В. Г. Левича позволяет определить скорость всплывания газового пузырька в неподвижной жидкости для больших чисел Рейнольдса • g — ускорение силы тяжести, м/с2; Rп — радиус пузырька, м; рж, рг — плотность жидкости и газа, кг/м 3; μж — динамическая вязкость жидкости, Па*с

присутствие в жидкости ПАВ • существенно снижает скорость всплывания газового пузырька, которая при этом зависит от толщины диффузионного слоя поверхности раздела фаз, коэффициента диффузии ПАВ, его количества на поверхности пузырька и концентрации в жидкости вблизи пузырька • μг — вязкость газа, Па*с; Y 1—количественная характеристика тормозящего действия ПАВ

В общем случае движение ГЖС • связано с относительным движением в жидкости газовых пузырьков различных размеров • относительная скорость движения газа – относительная скорость движения пузырьков различных размеров, либо осредненная относительная скорость газовой фазы • для расчетов необходимо найти принцип осреднения относительной скорости

относительная скорость • влияет на плотность ГЖС, являющейся определяющим параметром процесса лифтирования • Осреднение относительной скорости газа можно произвести на основании равенства плотности ГЖС в реальном процессе ее движения и в расчетной схеме • Относительная скорость движения газа связана и со структурой движения газожидкостной смеси

Относительная скорость зависит от 1) физических свойств жидкости и газа 2) условий стесненного движения газовых пузырьков 3) деформации газовых пузырьков и возможности их коалесценции или диспергирования 4) угла наклона подъемника

Влияние предельной скорости вертикального подъема газовых пузырьков в функции физических свойств Ж и Г с использованием безразмерных критериев (σ — поверхностное натяжение системы «Ж—Г» , Н/м ): — критерий Рейнольдса Reп — комплексный критерий G 1 — критерий G 2 — критерий Вебера We — критерий Фруда Frп

Основные расчетные зависимости и область их применения

наиболее изученными являются • вопросы движения ГЖС в вертикальных каналах круглого сечения при эмульсионной структуре потока изучены недостаточно • Движение газовых пузырьков в стесненных условиях при значительном изменении свойств фаз в каналах кольцевого и круглого сечения • Вопросы движения ГЖС в наклонных каналах различных форм сечения

в МИНХи. ГП на кафедре Ри. ЭНМ (70 -е годы 20 в) • Исследования выполнены в круглой трубе Ø 56 мм и в кольцевых каналах, образованных вставками Ø 30 и 46 мм (при концентричном (кольцевые каналы) и эксцентричном (серповидные каналы) расположении внутренней вставки) • В качестве жидкой фазы использовалась вода с добавками изопропилового спирта, что позволило изменять σ в системе «раствор изопропилового спирта — воздух» от 72 до 45 м. Н/м

Кривая распределения количества газовых пузырьков Обработка фотографий ГЖС Средний диаметр составил 0, 34 мм. Эти размеры хорошо согласуются с таковыми в добывающих скважинах, что свидетельствует о возможности практического использования полученных результатов

• Обозначим скорость всплытия газовых пузырьков в неподвижной жидкости в условиях стесненности через • отношение скорости всплытия газовых пузырьков к скорости всплытия одиночного газового пузырька в зависимости от физических свойств жидкой и газовой фаз • где Frr, Rer, Wer — безразмерные параметры Фруда, Рейнольдса и Вебера, вычисляемые по приведенной скорости газа • V— объемный расход газовой фазы, м 3/с • f — площадь поперечного сечения канала, м 2

Экспериментальная зависимость Поверхностное натяжение м. Н/м в функции Frr /Rer. Wer

Высокий коэффициент корреляции (>0, 9) • характеризует связь между переменными, достаточно близкую к функциональной • Анализ экспериментальных результатов, а также физических свойств жидкости и газа показал, что эксперименты соответствуют второй области (табл. слайда 20)

скорость всплытия газовых пузырьков в неподвижной жидкости в условиях стесненности • в случае невысоких давлений, когда массой газа (плотностью газа ρг) можно пренебречь • для расчета относительной скорости газовых пузырьков в неподвижной жидкости (вертикальные каналы круглого, кольцевого и серповидного сечений)

влияние скорости жидкости • на относительную скорость газовых пузырьков учтено введением критерия Рейнольдса по жидкости • DЭ — эквивалентный диаметр подъемника • D— внутренний диаметр трубы круглого сечения, м; d — наружный диаметр внутренней вставки, м; — приведенная скорость движения жидкой фазы, м/с • q — объемный расход жидкости, м 3/с

Результаты эксперимента основании зависимости (с подвижной жидкой фазой) на

• в области малых расходов жидкости относительные скорости газовых пузырьков в неподвижной и движущейся жидкости практически одинаковы • При дальнейшем увеличении Reж это отношение начинает снижаться, особенно, начиная с Reж = 4000, это связано с переходом ламинарного режима движения в турбулентный и с влиянием турбулентных пульсаций скорости и давления, искажающих траекторию вертикального движения . При определенных значениях пульсационных составляющих скорости жидкости вертикальная составляющая скорости газовых пузырьков может существенно снижаться газовых пузырьков

относительная скорость газовой фазы в наклонных подъемниках ( до 30 ) 0 • При неподвижной жидкости • При совместном движении