Целесообразность последовательной перекачки. Приближенная теория смесеобразования. Прием и реализация смеси на конечном пункте трубопровода, страница 21

            .                     (3.1)

Как видно, приведенной скоростью называется средняя скорость, которую имела бы жидкость или газовая фаза, заполняя все сечение трубы.

Скорость смеси w_см находится как отношение суммы объемных расходов фаз Q_см = Q_ж + Q_г  к площади сечения трубопровода, т.е

,                    (3.2)

и равна сумме приведенных скоростей фаз.

Соотношение расходов фаз в трубопроводе характеризуется величиной расходного газосодержания равного отношению расхода газовой фазы к расходу смеси

                                                     .                                     (3.3)

Истинные скорости фаз вычисляют как отношение их объемного расхода к занимаемой площади, т.е.

                            ;              ,                  (3.4)

где    j - истинное газосодержание, под которым понимается доля сечения трубы, занятая газовой фазой.

Легко показать, что истинная и приведенная скорости фаз связаны соотношениями

;          .                              (3.5)

Часто используется понятие относительной скорости фаз (скорости скольжения)                    .

Выражая истинные скорости фаз через приведенные и используя выражение для расходного газосодержания, после простых преобразований получим

.                         (3.6)

Для обобщения основных закономерностей течения газожидкостных смесей используются безразмерные критерии подобия - числа Рейнольдса, Вебера и Фруда. Число Рейнольдса Re_см представляет собой меру отношения инерционной силы к силе внутреннего трения. Оно характеризует гидродинамический режим перекачки газожидкостной смеси. Число Вебера We_см отражает соотношение между силой поверхностного натяжения и силой инерции. Оно характеризует способность границы раздела “жидкость-газ” к деформации. Число Фруда Fr_см характеризует соотношение силы инерции и силы тяжести. Сила инерции вызывает возмущение в потоке, приводящее к перемешиванию фаз, а сила  тяжести, наоборот, стремится вызвать их расслоение. Величины критериев подобия определяются выражениями

;     ; ,       (3.7)

где r_см, m_см - плотность и динамическая вязкость смеси.

Плотность двухфазной смеси определяется как аддитивная величина

,                         (3.8)

где r_г, r_ж - плотности газовой и жидкой фаз при средних температуре и давлении.

Динамическая вязкость газожидкостной смеси пузырьковой и эмульсионной структуры вычисляется по формуле Бринкмана

.                               (3.9)

В других случаях может быть использована приближенная зависимость

.                            (3.10)

Характерной особенностью двухфазных течений является пульсация давления в трубопроводах. Экспериментально установлено, что имеется два основных вида пульсаций: высокочастотные микропульсации и низкочастотные макропульсации. Существование высокочастотных пульсаций связано с различием скоростей фаз, а низкочастотных - с накоплением жидкости в трубопроводе и периодическим выбросом ее потоком газа.

По рекомендации А.И. Гужова амплитуда пульсации давления с погрешностью ± 15 % может быть рассчитана по эмпирической формуле

.   (3.11)

 Структурные формы двухфазных потоков

Двухфазные потоки характеризуются наличием различных структурных форм течения, под которыми подразумевается, главным образом, характер распределения газа в жидкости при их совместном движении в трубопроводе. Структурные формы газожидкостного потока очень разнообразны и зависят от скорости смеси, расходного газосодержания, физических свойств газовой и жидкой фаз, диаметра и угла наклона трубопровода. В результате многочисленных экспериментальных исследований выделены следующие основные структуры газожидкостных потоков в трубах (рис. 3.1):

а) пузырьковая и эмульсионная, характеризующиеся движением в жидкости пузырьков газа;

б) расслоенная, характеризующаяся послойным движением газа и жидкости с четкой гладкой или волновой поверхностью раздела;

в) пробковая (снарядная, четочная), характеризующаяся чередованием жидкостных и газовых пробок различных размеров;