天然气液烃(NGL)是主要由乙烷、丙烷、丁烷等低碳烷烃组成的多组分混合物。随着我国富含NGL组分的凝析气田的开发,NGL的产量也在逐年增加,而管道是运输NGL的重要方式。NGL在管输过程中由于温度压力变化,容易引发剧烈的相变,相变初始阶段在管壁的微小裂缝处产生气泡,形成气泡沸腾相变形式的气液两相流动;随着相变的持续,气泡聚并、管内含气率增加,气液两相呈现明显的相界面,形成冷凝和蒸发相变形式的气液两相流动。由于气液两相间存在热量、物质传递阻力,采用基于等温瞬时相平衡假设的数学模型,不能准确反映NGL输送管道中两相流动的实际情况。针对这一问题,本文对NGL输送管道内非平衡气液两相流模型开展以下研究:(1)在气泡沸腾相变阶段,分析了 NGL气泡在管道壁面的生长过程,基于Fourier导热定律建立了管壁与流体之间的传热模型;基于气泡动力学原理,建立了气泡沸腾相变的传质速率计算模型。对于传质模型中的气泡特征参数:从气泡受力平衡的角度出发建立了适用于不同倾角管道的气泡起飞直径计算模型,在垂直管道中,计算值与实验数据的最大相对偏差为7.03%,平均相对偏差为5.1%;在水平管道中计算值与实验数据的最大偏差为11.34%,平均偏差为10.07%;优选出Mikic模型和Kirichenko模型分别用于计算NGL流体的气泡脱离频率和活化核心密度。(2)在蒸发与冷凝相变阶段,基于Maxwell-Stefan方程推导了化学势梯度驱动作用下的气液两相传质速率计算模型,基于双膜传质理论研究了传质模型的求解方法;采用实验数据验证了传质模型:传质系数计算值与采集数据的最大偏差为11.7%,平均偏差为4.13%;分析了相间传质速率的变化规律:初始时刻与相变终止时刻之间的温度梯度或压力梯度越小,化学势梯度越小,气液相变的传质速率就越小;考虑气液相间接触面积对传热系数的影响,研究了相间传热系数的计算方法。(3)基于最小熵产原理和PR状态方程,建立了 NGL非平衡气液相变定态判定准则及数学模型,提出了求解流程,验证了模型的正确性。研究结果表明:非平衡气液相变定态与基于闪蒸的气液相平衡状态的气液摩尔组分存在明显差异,并且当初始环境温度与最终环境温度差异越大时,非平衡相变定态与闪蒸计算的气液相组分差异越大。(4)在以上成果的基础上,基于双流体模型,结合气泡沸腾和蒸发冷凝相变的传热传质模型、非平衡气液相变定态判断模型建立了 NGL非平衡气液两相流模型;考虑模型的数学特征,基于中心隐式差分法离散了 NGL非平衡气液两相流模型的方程组,基于广义的牛顿迭代法求解了模型。以英买力—牙哈NGL管道的现场数据为基础,对比了非平衡气液两相流模型与平衡态两相流模型瞬态计算结果,验证了模型的可靠性:非平衡气液两相流模型计算相变管段的持液率、温度、压力比平衡态两相流模型模拟结果偏高11.11%、4.24%和0.42%;分析了温度、压力条件的变化对NGL管道流动的影响。