3.2.2. 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;

г) кольцевая (пленочная, пленочно-дисперсная), характеризующаяся течением основной массы жидкости по стенке трубы в виде жидкостного кольца, внутри которого с высокой скоростью движется газовое ядро, содержащее капли жидкости.

Поток со взвешенными в нем пузырьками наблюдается при небольших . При малых скоростях смеси пузырьки расположены, в основном, вблизи верхней образующей трубы.

С увеличением скорости происходит дробление и перемешивание пузырей, и при скорости более 2 м/с они равномерно распределяются в жидкости. Такая структура называется эмульсионной.

При скоростях смеси менее 0,2 м/с и больших газосодержаниях в результате слияния пузырей друг с другом образуется непрерывная газовая фаза, т.е. раздельный поток, расслоенная структура.

Если скорости перекачки небольшие, то граница раздела фаз гладкая. Увеличение скорости смеси приводит к образованию гравитационных волн на границе раздела фаз. Амплитуда волн увеличивается пропорционально росту скорости смеси. При определенных условиях волны полностью перекрывают сечение трубы, а поток переходит в пробковый, когда газовые и жидкостные пробки чередуются друг с другом. С увеличением газосодержания смеси при постоянной скорости размеры газовых пробок увеличиваются, а жидкостных - уменьшаются. В конце концов жидкостные пробки как бы размазываются по стенке трубы, а газовая фаза, содержащая капли жидкости, движется в центре, т.е. формируется кольцевая структура газожидкостного потока.

Нетрудно видеть, что различные структуры взаимосвязаны и переходят одна в другую при изменении условий течения (за счет выделения растворенного газа по мере падения давления в трубопроводах, изменения площади сечения труб и их наклона к горизонту и т.д.). На рис. 3.2 в качестве примера приведены карты распределения структур газожидкостной смеси в горизонтальных трубах диаметром 0,05...0,3 м (по А.И. Гужову), иллюстрирующие отмеченные выше закономерности.