摘要：目前常用的两相流流型划分方式一般为两类，一类是按照两相管输中流体的外观形状来划分；另外一类是按照管输介质的连续性来划分。按流体的外观形状来划分流型，其中一种典型的方式是按照气体输量由少到多来划分，依次将流型划分为气泡流、气团流、分层光滑流、分层波浪流、段塞流(段塞流)、环状流、雾状流。由于众专家采用这种划分方式使用的实验手段和人为判断的差异，这类划分法所划分的流型不仅数量不同，甚至连名称也不统一。为便于将两相流问题与比较成熟的单相流流体力学相联系，同时又能将各种不同流型归结为较少的几种模式，相互之间有比较明确的区分特征，简化理论研究对象，从管输介质的连续性出发，可将流型划分为分散流、分离流、间歇流三种。目前流型测量的方法大致可以分为三类：1，目测方法；2，根据对管线某种参数波动量测定的统计结果与流型建立某种关系依此确定流型；3，根据辐射射线被吸收量来确定气液混合物的密度与流型。本文中，我通过对文献的阅读，学习到随着计算精度以及生产要求的不断提高，流型有了新的划分和更加精确的流型测量方法。 关键词：两相流；流型；测量
Oil and gas flow patterns’judgment literature review
Abstract：Recently t he flow patterns are divided generally into two categories, one category is divided according to the shape of the appearance of the fluid in the two-phase pipeline;another class is divided
according to the continuity of the pipeline media.According to the appearance of the shape,one of typical ways is according to the gas transmission capacity from less to more.the flow pattern is divided into a stream of bubbles,the air mass flow,stratified smooth flow,stratified wavy flow,slug flow(slug flow),annular flow,mist flow.Since all the experts'experimental means and people's judgments are different,not only the number of the flow patterns is different,but also the name is not uniform.In order to facilitate the two-phase flow problems with a more mature single-phase flow,make the various flow pattern attribute to several models and have clear distinguished characteristics between the simplified theoretical research object,we must start from the continuity of the pipeline medium making the flow pattern be divided into dispersed flow,separated flow, intermittent flow.Flow's measurement methods can be roughly divided into three categories:1,visual method;2,establish a relationship to determine the flow pattern, according to statistics on the pipeline;3,according to the amount of absorbed radiation ray to determine the density and the flow type of the gas-liquid mixture.In this article,I learned that with the development of calculation accuracy and production requirements,the flow pattern has a new division and more accurate flow measurement methods
前言：随着油气资源的开采向沙漠、深海地区发展，多相混输技术的经济性日益凸显，相关研究逐渐
成为热点。无论哪个方面的多相混输技术研究，最终目的都是为生产服务，并体现在工艺计算结果的准确性上。油气两相混输是多相混输的典型代表，其工艺计算结果的误差很大程度上与混输过程中油气两相的流型有关。广义而言，气液两相流动属流体力学的研究范畴之一，流体力学的基本方程也适合于气液两相流。但由于在气液两相流中，存在气液两相间的相互作用，因此两相流动问题较单相流动问题要复杂得多，两者间在本质特征上也有较大的不同。气液两相流流型的复杂性和多样性就是显著区别于单相流动的特点之一。
正文：一，新流型分类
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在文献中，我了解到现有的油水两相流流型分类方法各有其局限和不足，现在对其重新进行了分类。图1详细描述了油水两相流型的分类。 二，常用的流型判别方法的原理及其缺陷
1、Baker流型图
Baker流型图是针对水平管道，采用埃尔乌斯流型分类法，将不完全环状流和环状流合为一个流型，综合了很多混输管道的试验和生产数据后提出的。李占利等人利用圆锥曲线和直线对各流型分界线进行回归，得到了各流型的分界线，并提出了划分流型的算法。
2、Brill准则
Brill采用空气一煤油、空气一润滑油为介质，在管径为38．1mm的管道中，进行了倾角对流型影响的试验，给出了判断流型的Brill准则，其试验观察结果如下：
(1)在某一固定液体流量下，管道倾角越小，由气泡流转变为段塞流所需的气体流量越小；下坡流动时由气泡流转变为段塞流所需的气体流量比上坡时大；无论上坡还是下坡，液体粘度越高，由气泡流转变为段塞流所需的气体流量都越小。
(2)在上倾管道中，未观察到分层流；在下倾管道中，观察到的通常是分层流或气泡流，只有在液体流量足够大时才出现段塞流。
(3)当体积含液率不高于1％时，环状流的环状薄膜几乎被气流吹成弥散流。
3、Beggs-Brill法
Beggs—Brill法(以下简称B-B法)基于以水空气为流动介质的试验提出。Beggs提出，在试验中首先控制好气液两相的流量，待管道运转稳定后，在水平的测量管段上观察流型结构、测量各种参数，然后将管段倾斜一定角度，再观察流型并测量各种参数。95年高考语文第一题
4、Taitel准则
Taitel认为，以试验观察为基础的流型分界图既缺乏理论依据，带有一定的主观性，又无统一的纵横坐标，并且没有全面考虑气液物性、管径、管道倾
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角对流型转变的影响。总之，通过特定的试验条件获得的流型图用于判别其他管道的流型，其可靠性值得怀疑。因此，Taitel从流型转变的机理入手推导出了流型转变的数学模型。
市场营销5、SCA方法
西安管材研究所SCA方法(段塞特征分析法)以段塞流结构的稳定性分析为基础，首先假设存在段塞流，然后确定段塞流特征参数，最后通过对这些参数进行分析来判断流型。
Baker、13-B、Brill、Taitel及SCA方法的适用范围各有局限，其中Baker、B —B方法在进行流型判别
时未考虑管道倾角和气液物性的影响。Brill方法虽然考虑了管道倾角的影响，但也只是针对有限的介质进行试验总结，且没有考虑气液物性的影响。相比之下，Taitel是近年来在数值计算中应用最为广泛的流型判别准则。但据李玉星等人的研究发现，由于Taitel准则基于非粘性理论推导而来，因此只适用于低粘性流体，对丁粘性不能忽略的石油工业，Taitel判断准则的分层流范围过小。在SCA方法中，关于段塞流的经验公式涵盖了各种管径的管道，可以较好地反映段塞流这一气液两相混输中最复杂流型的特征，并考虑了倾角的影响，消除了流型判别的不唯一性，同时适用于稳态及瞬态；但缺点在于进行流型判断时将分散气泡流的范围设定得过大。
三，几种相对准确的流型判断方法延边窗口
1,S-T-B流型判别方法
为了克服上述方法的局限性，结合数学推导提出了S-T-B流型判别方法。该方法以SCA方法为基础，通过比较段塞流特征参数判断气液两相是否存在段塞流，再结合Taitel方法判别其是否属于分层流、环状弥散流抑或分散气泡流，最后依据Brill法关于环状流和弥散流划分的思想对流型做出更加科学、准确的判断。S-T-B流型判别方法综合考虑了管径、气液相的粘度、管道倾角等多个影响流型的因素，并吸取了SCA、Taitel、Brill等方法的优点，有望在较大的范围内对流型做出准确的预测。S-T-B流型判别流程如下：
S-T —B 流型判别方法的实现步骤如下：
(1)假设气液两相存在段塞流，根据合适的经验公式计算段塞流的特征参数，段塞单元平均持液率H LU 、液塞区持液率H LS 、液膜区持液率H LF 和持液率R L 。
(2)判断不等式H LS >HLU ，若成立，到步骤3；否则，到步骤5。
(3)判断不等式H Ls >0.26，若成立，到步骤4；否则，到步骤5。
(4)判断不等式H LF <H LU ，若成立，为段塞流，到步骤9；否则，到步骤5。
(5)进入Taitel 流型判断，根据分层光滑流假设，迭代计算液面高度及相关的无因
次量h ~l 、g w ~、g A ~及无因次准数F 的计算。
(6)判断不等式1：1])~1(~/[)1~2(1~2222≺l g l g h A h w F −−−(1)
若式(1)成立，为分层流，到步骤9；否则，到步骤7。
(7)判断不等式2：5.0~≥l h ，若成立，为气泡流，到步骤9；否则，到步骤8。
(8)判断不等式R L <0.01，若成立，为弥散流，到步骤9；否则，为环状流，也到步骤9。
(9)输出判断结果
2，应用RBF 神经网络智能识别油气水多相流流型
该方法对水平管内油气水多相流的压差进行测量得到了各个流型下的压差时间序列根据多相流动系统
具有分形特征，应用分形理论中的重构相空间法（G-P 算法）给定标度ε范围（ε在0.1~0.9范围内按等间距0.1取9个数）得到9个关联维数εεln /)(ln 2c D =，将这9个关联维数送入径向基函数神经网络（即RBF 神经网络）作为输入层的9个神经元通过学习样本的学习，即可用来对测试样本（即未知流型的压差信号进行流型识别。实验结果证明用径向基神经网络识别流型的方法十分有效。 优缺点：（1），应用分形理论中的关联维数来处理多相流动系统在各个不同流型下的压差信号并把关联维数作为神经网络的输入结果表明信号在重构的伪相空间中具有不同的关联维数反映了各个流型的动力学形成机制的不同应用关联维数来识别流型具有物理概念明晰计算简单明了信号特征容易量化等优点。（2）人工神经网络（ANN ）是简单的非线性函数的多项复合无需建立任何物理模型和人工干预具有自组织自学习能力能映射高度非线性的输入输出关系能自动调整各神经元之间的结合强度以使网络正确地映射其输入输出关系神经网络还具有很强的容错性和鲁棒性善于联想综合和推广应用神经网络来识别流型克服了传统识别流型方法的所具有的盲目性主观性以及使用环境要求较高等缺点
（3）RBF 神经网络具有学习速度快分类能力强所用神经元个数少等优点，所建立的多相流流型识别系统自动化程度高使用方便在石油化工动力冶金等行业的工业应用前景必将十分广阔。
3，小波分析在多相流流型判别中的应用
（1）实验装置
试验在石油大学（北京）流体测试实验室油气水三相流水平试验环道中进行。该试验环道能够产生所有气液两相流流型并能得到有意义的瞬时流动参数，能在常温低压下得到在一定范围内油气水任意相的流速和流量，并可以进行在线标
定。主要的技术指标：油和水的流速范围为0~2m/s，气相的流速范围为0~20m/s，装置的运行压力范围为0~1Mpa。采用以微机为主体的全自动控制系统，利用I/O 总线通过接口箱与众多的下位机（电动调节阀、流量传感器和微差压传感器等）之间进行高速数据采集通讯，实现状态监测和控制，具有较高的自动化程度。试验环道的油/水路流程：油/水经过油/水泵、油/水稳压罐进入管路中，依次通过流量计、电动调节阀后进入静态混合器，经过测试段后进入油气水三相分离罐。气路流程：空气经过空气压缩机进入管路中，依次通过气体流量计、电动调节阀后进入静态混合器，再经过测试段后进入油气水三相分离罐，从罐顶排放出来。在测试段上装有三台微差压传感器，能实时输出测试段中的相关波动信号。
(2)，实验结果
在相同的水流量下，通过改变不同的气流量得到的典型段塞流、波状流的时域信号如图1所示。
（3），信号的小波分析
按Mallat小波分析算法，对采集的段塞流和波状流信号进行4个尺度上的小波变换，变换结果如图2所示。
从图2中可以看到，两种流态在尺度1、2上的信号都较弱，并且在一个数量级上变化，而尺度3，4上的信号较强，说明这两种流态的信号都是属于低频信号。但是，这两种流态的信号变化的数量级存在明显的差别。段塞流的变化幅度为0~2000Mpa ，集中分布在一个较短的时间段内；波状流的变化幅度0~200Mpa ，且分布在整个时间范围内。因此，这一点可作为区分两种流态的显著标志。从段塞流的小波变换图中还可以看到，、尺度上压差幅度的跃变几乎发生在同一个时间点上，充分反映出了信号的时域特征。在其第4尺度上，由于滤除了高频杂波的影响，显示出光滑的轮廓线，可以确定出段塞产生、发展、消失的精确时间。在波状流的小波变换的第4尺度上，由于滤除了高频杂波的影响，可以清晰地看出波状流的流动变化，确定出波状流的波动周期。
所以小波变换能够反映出段塞流与波状流各自的特征，可用来识别两种流型，充分表现出其在信号分析上的优越性。与其他流型识别方法相比，该方法所需测量参数少，便于实时、连续地判断流型。
4，Hurst 计算分析法判断流型
传统的流型识别方法对流型的特征缺乏一个量化的评价标准，只能由识别者采用模糊的语言来描述特征，在很大程度上依赖于识别者的主观判断。为了克服传统流型识别方法的缺点，对水平管内气液两相流进行测量，得到了反映两相流波动特性的压差波动信号，采用Hurst 分析描述了水平管内气液两相流不同流型的压差波动特征，发现压差波动信号中存在着不同程度的周期成分。通过对不同流型的
压差波动信号的Hurst 指数H 进行计算，发现不同流型的H 值有很大差别，可根据Hurst 指数H 值型，从而为流型识别提供了一种有效方法。（1）Hurst 计算分析法
英国水利学家Hurst 为控制水库蓄水量而深入研究了尼罗河水位的涨落问题。Hurst 发现，像河水水位、温度等大多数自然现象，不服从布朗运动及高斯分布的特征，而是遵循一种“有偏随机游动”——趋势加噪声。分形布朗运动(FBM)增量方差为H H H t t t B t B M 20200))()((−=−σ，式中风为分数Brown 函数：t/s 为时
间；20σ为0t 时刻的样本方差；H 为Hurst 指数。计算Hurst 指数方法很多，如R/S 分析法，频谱分析法等。但常用的是Hurst 建立的R/S 分析法。Hurst 指数H 可以通过以下计算步骤得到：
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