高压管道系统广泛存在于海洋石油输运领域，是实现海底油气资源向海洋油气开采平台输运的重要过程设备。一方面，海底油气管道系统并非严格水平，造成管道结构存在水平、倾斜的问题；另一方面，油气藏内部压力变化造成流量变化，并可能在管道内部形成不同的流型。对此，深入研究高压管道系统中的气液流动规律，为丰富和提高对气液多相流动现象、流型及其形成机理的认识，开展流型的准确预测，具有重要的学术意义和工程应用价值。本文在西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室的高压油气水多相流实验平台上完善了中高压近水平管实验台，并完成了不同压力、不同倾角管道系统中的气液两相流型实验研究，开展了流型特征、流型转变规律及流动特性的实验和理论研究。该实验台参数如下：管长11.6　m，内径50　mm，设计压力6.3　MPa，管道倾角可调0~+0.4　°。主要研究内容和结论如下：
首先，采用空气、水作为工质，在水平管道内开展了不同压力（0.1　MPa、1.0　MPa、2.0　MPa、4.5　MPa）、大表观流速范围内的气液两相流动实验研究，均获得了光滑分层流、波状分层流、环状流、环雾状流、塞状流、弹状流、泡状流等流型；另外，通过2.0　MPa中压实验研究，获得了+0.1　°、+0.2　°、+0.4　°微倾斜管气液两相流动流型。结合实验观察和信号分析，确定了不同压力、倾角管内气液两相流动的流型图，明确了流型分布范围及流型转变区域。实验结果表明，对于水平管气液两相流动，系统压力增加促进了流型转变，转变边界向气相表观速度减小的方向移动；微上倾角对流型分布影响显著，分层-间歇流型转变的临界液相表观速度显著减小，且分层流区域被间歇流区域分割开来。结合对分层流界面波动特性分析，开展了界面波上流体微元受力分析，建立了不同流型的转变模型，与不同实验结果对比表明本文模型具有更好的精度。
其次，开展了波形界面上流动特性的理论研究，推导得到了二维曲面上内、外流场流动模型，建立了流动阻力、界面剪切应力计算模型；研究了界面波形结构参数，如波长、波幅等，及流动雷诺数对流动阻力、界面剪切应力的影响规律。分析了波形界面与分层流相界面之间的联系，并基于上述规律研究探讨了界面波特征结构参数对波状分层流动中流动雷诺数的影响，并提出了新的相界面摩擦系数计算模型，从理论上研究了相界面摩擦系数的影响因素，并通过实验验证了本文模型的准确性及适用性。
再次，通过不同压力（0.1　MPa、1.0　MPa、2.0　MPa、4.5　MPa）水平管空气单相流实验研究，结果表明基于常压实验经验关联式无法开展中高压空气单相流动计算，并总结归纳得到了不同压力下气-壁摩擦系数经验关联式。结合界面摩擦系数与界面波结



构特征之间的内在联系，分别采用气、液流动雷诺数和本文新提出的修正流动雷诺数，开展了相界面摩擦系数和液-壁摩擦系数的实验研究，得到了中高压分层流摩擦系数的经验关联式；另外，对于间歇流、环状流和泡状流等流型，研究了相含率和气液相流动雷诺数的影响，总结归纳得到相关流型下的摩擦系数关联式。结合实验结果对比了不同摩擦系数计算模型，本文模型计算更加准确，误差小于±30%。
再次，开展了界面波动规律的研究，获得了不同压力水平管液膜无量纲厚度、界面波波幅及波长与气液相表观流速之间的联系，并得到了界面波波幅概率密度分布及周期概率密度分布。通过2.0　MPa近水平（+0.1　°、+0.2　°）管气液两相流动实验研究，得到了管道倾角对分层流动中无量纲液膜厚度、界面波波幅、波长以及波幅和周期概率密度分布规律的影响。结合波形界面上流动特性分析，研究了气、液流动雷诺数、液-壁剪切应力、相界面剪切应力对界面波传播速度影响显著性水平的理论和实验研究，结果表明液相流动雷诺数、相界面剪切应力能够更好地表征界面波传播速度，与传统经验关联式相比有更高的精度。结合管道径向布置的差压测量信号，开展了局部流型识别的实验研究，通过对该差压信号的一系列处理分析，包括小波分析、自建模型，实现了对不同压力水平管气液两相流动局部流型的准确识别。