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第四局部井筒流體力學(xué)1 單相〔氣體〕流體力學(xué)-靜止氣柱平均溫度和平均氣體偏差系數(shù)計(jì)算方法0.03415 Hp pws ts

g ) (4--1)ZT式中p —按靜止氣柱公式計(jì)算的井底壓力。關(guān)井時(shí)為地層壓力,開井時(shí)為井底流淌壓力,MPa;wsp MPa;ts —?dú)怏w相對(duì)密度;gH—井口到氣層中部深度,m;T—井筒內(nèi)氣體平均確定溫度,K;T=(Tts

T )/2wsT ,Tts

靜止氣柱井口,井底確定溫度,K;p—井筒氣體平均壓力,MPa;p=(p p )/2ws tsZ—井筒氣體平均偏差系數(shù),由兩種計(jì)算方法Z=f(p,T) 或Z=(Z Z )/2ts wsZ ,Zts

靜止氣柱井口,井底條件下的氣體偏差系數(shù)。pts

pws

的步驟如下;首先對(duì)p 賦初值,建議wspHp (o)pws ts

ts12192依據(jù)p,T和 ,求Zg代Z入式〔4--1〕計(jì)算p 。如p (o)之差符合規(guī)定的精度要求,則p (1)即為所求。反ws ws ws ws之,連續(xù)迭代到符合規(guī)定的精度。Z=1pws(o)=pts取為初值;或規(guī)定迭代次數(shù),一5次即可滿足工程要求。CullenderSmith計(jì)算方法按井深H計(jì)算〔一步法〕0.03415

Hpwsg p

Idp (4--2)tsIZT (4--3)p由數(shù)值積分〔一步梯形法〕得:0.03415 Hg

(p p )(I I )ws ts2 ws ts (4--4)式中 I

ZtsTtsts ptstsI Zws

Tws pws其余符號(hào)同前。pts

,利用式〔4--4〕pws

,計(jì)算步驟如下:pws

I

(0)I ,則ws tsp =pws ts

H+ g2ItsIwspwsp

=p

Hgws ts

I Iws tspws

是否滿足精度要求。否,重復(fù)〔2〕到〔3〕步,直到滿足精度要求。將井深H均分為上,下兩段〔兩步法〕計(jì)算0.03415 Hg

(p p )(I I ) (p p )(I I ms ts ms ts ws ms ws ms2 2

〔4--5〕對(duì)上段 0.03415 H(p p )(I I ) 〔4--6〕g ms ts ms ts對(duì)下段 0.03415 H(p p )(I I ) (4--7)g ws ms ws ms式中 Ims

ZmsTmspmsmsp -H/2處的壓力,MPa;msT -H/2處的溫度,K.ms

其余符號(hào)同前。,利用式(4--6)pts

,計(jì)算步驟如下:pms

I

(0)I ,則ms tsp =pms ts

H+ g2ItsIms由下式計(jì)算p ;msp

=p

Hgms ts

I Ims tspms

是否滿足精度要求。否,重復(fù)〔2〕到〔3〕步,直到滿足精度要求。pms

,利用式〔3--7〕pws

,計(jì)算步驟同前面求解p ;ms

(0)Iws

p =p ws ms

0.03415Hg2IIws

ms0.03415Hpws

=p +ms

gI Iws mspws

是否滿足精度要求。將井深H等分為n段,計(jì)算井筒壓力分布n0.03415

H)

1[(p

p)(I

I)(p

p)(I

I)(p p

)(I I )](4--8)

g n 2 1

0 1 0

2 1 2 1

n n1 n

n1對(duì)其中任一段

0.03145

(pn

p )(I I )n1 n n1

(4--9)n=1,2,3

g n 2pts

,依據(jù)一步法的計(jì)算步驟,逐段計(jì)算,可求出壓力沿井筒的分布。2.3Aziz計(jì)算方法(pws

H(pg

p)iMaIts i1 ii

(4--10)pts

pws

,牛頓迭代格式為:p (n1)p

(n)

(pws

(n))

〔4--11〕ws

(pws

)(p

(n))=

T Zws

(n)

(4—12ws pws

(n)Aziz13種可供選用的數(shù)值積分方法,每種方法的Mai4—1查出。M13種數(shù)值積分方法1M13種數(shù)值積分方法1234567891011121301/21/41/61/81/101/121/61/121/181/87/9019/2881/2011/21/21/31/41/51/62/31/32/93/816/4525/961/421/41/31/41/51/61/61/61/93/82/1525/1441/2031/61/41/51/61/32/91/816/4525/1443/1041/81/51/61/121/97/9025/961/2051/101/62/919/2881/461/121/181/20解題步驟如下:選定數(shù)值積分方法,確定Mai值;T(Tws

T/M,依次計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度tsTTi i1

T;pws

pws

=p (0);wsppws

(0)

p /M,依次計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的壓力ts計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的I值;

p p;i i1計(jì)算pws

(n)和pws

(n));由式ws滿足精度要求。

(n1)〔4〕到〔7〕pws2單相〔氣體〕流體力學(xué)-流淌氣柱平均溫度和平均偏差系數(shù)計(jì)算方法1.3241018f(q

TZ)2(e2s1)p [p2e2swf tf

sc ]1/2d5

〔4--13〕式中 p —井底流淌壓力,MPa;wf—井口流淌壓力,MPa;tfd—油管內(nèi)徑,m;T—油管內(nèi)氣體平均溫度,K;T=(Ttf

T )/2wfT ,Ttf wf

—流淌氣柱井口,井底確定溫度,K;Z—在Tp條件下,氣體偏差系數(shù);—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的流量,Sm3/d;scs(0.03415 H)/TZg —?dú)怏w相對(duì)密度;gH—油管下到氣層中部深度,m;f—Moody摩阻系數(shù),建議用下面給出的Jain公式計(jì)算:f1 log(ef

21.25)d Re0.9e—相對(duì)粗糙度,為管子確定粗糙度e與管徑d的比值;dRe—?dú)饬骼字Z數(shù),建議用下式計(jì)算Re1.776102

sc gdg —?dú)怏w粘度,mPa·s;gptf

pwf

pws

的計(jì)算一樣,僅補(bǔ)充兩點(diǎn)。賦初值用下式:p (0)p

ptfHwf tf

1219.2p用下式:p=2(p

p 2tf )3 wf p pwf tfCullenderSmith計(jì)算方法按井深H計(jì)算〔一步法〕

Hpwfg p

Idp

(4--14)tfpI TZ

(4--15)(p)2TZ

1.3241018fq2scd5(p p )(I I )0.03415

H wf tf wf tf g 2

(4--16)ptf

pwf

pws

的計(jì)算一樣.將井深H均分為上,下兩段〔兩步法〕計(jì)算0.03415

(pH

p )(Itf

I tf

(p+

p )(Imf

I )mf

(4--17)g 2 2對(duì)上段 0.03415對(duì)下段 0.03415

H(pg H(pg wf

p )(Itf mfp )(Imf

I )tfI )wf

(4--18)(4--19)ptf

pwf

pws

的計(jì)算一樣。將井深H等分為n段,計(jì)算井筒壓力分布計(jì)算公式,解題思路和步驟同靜止氣柱,僅I應(yīng)按式〔4--15〕計(jì)算。Aziz計(jì)算方法(pwf

)0.03415

H(pg

p )iMaItf i1 ii

〔4--20〕p (n1)

p (n)

(pwf

(n))

(4--21)wf

(p (n))wfp (n)wfT Z (n)(p

(n))= wf wf

(4--22)wf

(n)

1.3241018fq 2( wf ) sc T Zwf wf

(n) d53單相〔氣體〕流體力學(xué)-環(huán)空流淌流淌氣柱的三種計(jì)算,皆可用于環(huán)空流淌計(jì)算環(huán)空壓力,僅須作三點(diǎn)變換?,F(xiàn)以用平均溫度和平均偏差系數(shù)計(jì)算方法為例,給出變換后的公式:p [p2e2s

1.3241018f(TZqsc

)2(e2s1)

(4--23)wf tf

(d d2 1

)3(d2

d)21f1 1.142log( f

21.25) (4--24)d d2 1

Re0.9Re1.766102

q (sc g (4--25)d d)g 2 1式中 d—油管外徑,m;1d —套管內(nèi)徑,m..2其余符號(hào)同前。單相〔氣體〕流體力學(xué)-注氣現(xiàn)以式〔4--13〕和〔4--14〕為例,給出計(jì)算公式。平均溫度和平均氣體偏差系數(shù)計(jì)算方法p ,求ptf wfp swf tf

1.3241018f(TZqscd5

)2(e2s1)

〔4--26〕p ,求pwf tf

1.3241018f(TZq

)2(e2s1)p [p2tf wf

scd5e2s

]1/2

(4--27)CullenderSmith計(jì)算方法p ,求ptf wfp

0.03415

H (4--28)gtfp式中 I TZp1.3241018pd5p ,求pwf tf

fq2sc

( )2TZpwfp

Idp0.03415 Hgtf式中,I同式(4--28),其余符號(hào)同前。單相〔氣體〕流體力學(xué)-斜井流淌氣柱的三種計(jì)算,皆可用于斜井井筒壓力分布的計(jì)算,僅須留意式中L/H或H/L的位置?,F(xiàn)以式〔4--13〕和〔4--14〕為例,給出計(jì)算公式。平均溫度和平均氣體偏差系數(shù)計(jì)算方法1.3241018(TZq )2(e2s1) Lp wf tf

sc ( d5 H

(4--30)CullenderSmith計(jì)算方法

pdppwf

TZ

L (4--31)ptf p H 1.3241018fq g( )2( ) scTZ L d5式中 L—斜井實(shí)測(cè)管長(zhǎng),m;H-斜井垂向井深,m.其余符號(hào)同前。單相〔氣體〕流體力學(xué)-氣嘴孔眼臨界判別式2 k2( )k1

〔4--32〕p k11亞臨界流sc

(4--33)4.0664.066103pd21(kp2( 2) ]pTZg1 k1 p)[(2)kk1p14.0664.066103pd21k22()[()k1(TZg1 k1 k12max

(4--34)式中 qsc

—通過(guò)氣嘴的氣體流量,Sm3/d;q —通過(guò)氣嘴的最大氣體流量,Sm3/d;maxp—?dú)庾烊肟诙嗣嫔系膲毫?,MPa;1p—?dú)庾斐隹诙嗣嫔系膲毫Γ琈Pa;2pp,MPa;c 2d—?dú)庾扉_孔直徑,mm;T—?dú)庾焐狭鳒囟龋琄;1Z—在氣嘴入口狀態(tài)下的偏差系數(shù);1 —自然氣的相對(duì)密度;gk —自然氣的絕熱指數(shù)。井口氣嘴適用于長(zhǎng)6英寸152.4m,圓弧形進(jìn)口邊緣,臨界流速下計(jì)算通過(guò)氣嘴的流量。0.2873ApC1 dT1 g1 dT1 gsc式中 qsc

—通過(guò)井口氣嘴的最大流量,104Sm3/d;A—?dú)庾扉_孔面積,mm2;p—上游壓力,MPa;1T—上游溫度,K;1 —?dú)怏w相對(duì)密度;gC—流量系數(shù),取Cd

0.82井下安全閥(SSSV)用于計(jì)算氣流經(jīng)過(guò)井下安全閥〔亞臨界〕所發(fā)生的壓降。1.5 p

17.6447ZTqpp 1 2

g ZT

pd2

11 sc] 〔4--36〕CY11 1 sssv d式中 d

/dsssvd—油管內(nèi)徑,mm;d —井下安全閥嘴子直徑,mm;sssvC—流量系數(shù),建議Cd

0.9k—絕熱指數(shù);Y —膨脹系數(shù)。1Y1[0.410.354](p1

p2);kp1因Yf(p),式〔4--36〕中p為未知數(shù),應(yīng)用迭代法求解。通常,Y=0.67~1.0,近似計(jì)算建議Y=0.85。7.?dāng)M單相流一流淌氣柱大多數(shù)氣井,氣流中都含少許凝析油和水,井筒中流淌實(shí)屬氣液兩相流。但與油井相比,氣液比極高,〔GLR>2023Sm3/m3〔STO〕,流態(tài)屬于多相流中的霧狀流,為筒化計(jì)算,視這類多相流的氣井為假想的單相流氣井,稱擬單相流,前面介紹單相流的流淌柱公式只需略加修正,即可用于這類氣井的有關(guān)計(jì)算。氣中含凝析油將地面分別出的氣體和凝析油,通過(guò)氣油比這一參數(shù),復(fù)合成單相烴氣體〔即擬單相氣體式計(jì)算:pwfptf

pdpTZ

f W

2

H 〔4-37〕GTZ 7.6511016 G G d M5 G式中W ——復(fù)合烴類氣體的質(zhì)量流量,㎏/d;Gq ——?dú)怏w產(chǎn)量,Sm3/d;sc

W q G sc

VOG

o)sc ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度,㎏/scq ——凝析油產(chǎn)量,m3〔STO〕/d;o ——油罐凝析油密度,㎏/m3〔STO〕oRVOGMG

——體積凝析油氣比,m3〔STO〕/Sm3;——復(fù)合烴類氣體視分子量,MM g

R MMOG oG 1R

MOGMg——分別氣〔干氣〕視分子量,kg/kmol;Mo——凝析油視分子量,kgRMOG

——摩爾油氣比,kmol/kmol; ——復(fù)合烴類氣體的相對(duì)密度;G ——復(fù)合烴類氣體的粘度,mPa﹒s;G f(,M ,Z )G G G G ——復(fù)合烴類氣體密度,㎏/m3;GZ ——復(fù)合烴類氣體偏差系數(shù);GZ f(p,T, )G Gf ——復(fù)合烴類氣體摩阻系數(shù);Gf f(R)G eG

e,d(R)eG

——復(fù)合烴類氣體雷諾數(shù);(R)eG

f(G

,,VG

,d)V ——復(fù)合烴類氣體體積速度,m/s;GV WG G

/(86400 A)GA——油管截面積,㎡。4.4〔qW氣中含凝析油和水

0〕將自然氣中含凝析油和水的問題視為復(fù)合烴類氣體與水的氣水兩相問題,認(rèn)為氣水兩相混合物的流態(tài)仍為零狀流,因而氣、水體積流速一樣,即相對(duì)速度為零,計(jì)算所用公式如下:pdpHptf

p2

TZf W

2

G

〔4-38〕

7.6511016m GFTZ

d5 MG

w式中 Fw

——含水校正系數(shù);F 1W /Ww w GW ——水的質(zhì)量流量,㎏/d;wf ——?dú)馑旌衔锏哪ψ柘禂?shù);mf f(Rm e

) ,em d(R)e m

——?dú)馑旌衔锏睦字Z數(shù);(R)e m

(R) FeG w其余符號(hào)同前。計(jì)算程序見附錄,程序4.4〔q 0〕w8 垂直管氣液兩相流Hagedorn-Brown方法〔1965〕根本公式對(duì)垂直管氣液兩相流,用壓力梯度表示的根本公式為〔無(wú)視動(dòng)能項(xiàng);P f q2M2 106g m L t

〔4-39〕H 四個(gè)重要的無(wú)因次參數(shù):

9.21109m

d5N 3.1775V (/)0.25lv sl l

〔4-40〕N (/)0.25 〔4-41〕gv sg lN 399.045d(/)0.5d lN 0.3147 [1/(3)]0.25u ul l計(jì)算氣液混合物密度:

〔4-42〕〔4-43〕 H H) 〔4-44〕m l l g l計(jì)算兩相摩阻系數(shù)仍用Jain公式。雷諾數(shù)的定義式為:VnmNRe nm

d1.474102qldl

Mt 〔4-45〕m m以上公式中的符號(hào)說(shuō)明如下:H ——垂直管深度增量,m;pH上的壓力增量,Mpa; ——?dú)庖夯旌衔锩芏?,㎏/m3;mg——重力加速度,m/s2;f ——兩相摩阻系數(shù),可用Jain公式計(jì)算〔2.1〕;mq——地面產(chǎn)液量,m3/d;lM——地面標(biāo)準(zhǔn)條件下,每產(chǎn)13/3〔ST;td——油管內(nèi)徑,m; ——?dú)怏w密度,㎏/m3;gH——持液率:lVm——?dú)庖夯旌衔锼俣龋琺/sVmVsgVsl;Vsg——?dú)怏w表觀速度,m/sVsgqg/A;V ——液體表觀速度,m/sVsl

q/A,Al

d2;4 ——無(wú)滑脫氣液混合物密度,n n l

g ll

V /V ,sl m

Hl

(1Hl);g——液體粘度,mPa﹒s;l ——?dú)怏w粘度,mPa﹒s;gN ——液體速度數(shù);lvN ——?dú)怏w速度數(shù);gvN ——管道直徑數(shù);dN——液體粘度數(shù); ——表活張力,mN/m。計(jì)算方法和步驟以長(zhǎng)度迭加法為例,說(shuō)是如何確定沿管長(zhǎng)的流淌壓力分布和井底流淌壓力。在p和H兩上相關(guān)變量中,對(duì)p賦肯定值,計(jì)算H。然后,逐段計(jì)算到HH〔井深,此即長(zhǎng)度迭加法。具體步驟如下:p,取p為肯定值,計(jì)算H上的平均壓力:1pp p/21產(chǎn)生壓降p的管段H是未知數(shù),先賦一初值,用符號(hào)H〔0〕表示;依據(jù)H〔0,井口溫度T1

和地溫梯度a,確定管段H上的平均溫度T:TT1

(H1

H(0)/2)a對(duì)Hp、T條件下的全部參數(shù);Hl

、f 〔詳見例4.15〕m〔4-3HH與H(0)3,重復(fù)計(jì)算,直到滿足精度要求。則H1H1Hp p1 1p返回步驟1,迭代到H>〔井深。19 氣井連續(xù)排液所需最小氣量油管內(nèi)任意流壓下,能將氣流中最大液滴攜帶到井口的流速謂之氣井連續(xù)排液所需最小流速,或稱最小卸載流速。最小卸載流速與下油管截面積的乘積換算到標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)則稱為氣井連續(xù)排液的卸載流量。理論公式卸載流速:103(V 7.15

)14g 4

〔4-46〕卸載流量:

g 2 gpAVq 2.5104 sc TZg g

〔4-47〕或 q 61.78sc sc

103(l

)4g

〔4-48〕式中 V ——卸載流速,m/s;gq ——卸載流量,Sm3/d;scA——油管截面積,㎡;p——油管流壓〔井底或任意點(diǎn)的壓力,Mp;T——油管流溫〔井底或任意點(diǎn)的溫度Zp和T條件下的氣體偏差系數(shù);——界面張力,N/M。在資料缺乏時(shí),以下數(shù)據(jù)供參考;對(duì)水 w對(duì)凝析油 o半閱歷公式

60mN/m20mN/m條件: g

0.6,T322.2K(t49℃〕對(duì)水 Vg

p)4111(0.4496p)21.23(450.4496p)1

〔4—49〕對(duì)凝析油 Vg

41(0.4496p)210 管內(nèi)沖蝕流速

〔4—50〕1984年,Beggs提出計(jì)算沖蝕流速的公式:V C

〔4—51〕e 0.5g式中 V——沖蝕速度,m/s;e ——?dú)怏w密度,㎏/m3;gC——常數(shù),C=122。氣井油管的通過(guò)力量要受沖蝕流速的約束,依據(jù)沖蝕流速確定的油管日通過(guò)力量為:q5.164104A

0.5p 〔4—52〕pg式中 q——受沖蝕流速約束的油管通過(guò)力量,104m3/d;eA——油管截面積,㎡。其余符號(hào)同前。7.?dāng)M單相流一流淌氣柱大多數(shù)氣井,氣流中都含少許凝析油和水,井筒中流淌實(shí)屬氣液兩相流。但與油井相比,氣液比極高,〔GLR>2023Sm3/m3〔STO〕,流態(tài)屬于多相流中的霧狀流,為筒化計(jì)算,視這類多相流的氣井為假想的單相流氣井,稱擬單相流,前面介紹單相流的流淌柱公式只需略加修正,即可用于這類氣井的有關(guān)計(jì)算。氣中含凝析油將地面分別出的氣體和凝析油,通過(guò)氣油比這一參數(shù),復(fù)合成單相烴氣體〔即擬單相氣體式計(jì)算:pwf

pdp TZ

H 〔4-37〕ptf

p2

f W 2 G 7.6511016 G GTZ d M5 G式中W ——復(fù)合烴類氣體的質(zhì)量流量,㎏/d;Gq ——?dú)怏w產(chǎn)量,Sm3/d;sc

W q G sc

VOG

o)sc ——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體密度,㎏/scq——凝析油產(chǎn)量,m3〔STO〕/d;o ——油罐凝析油密度,㎏/m3〔STO〕oRVOGMG

——體積凝析油氣比,m3〔STO〕/Sm3;——復(fù)合烴類氣體視分子量,M R MM g MOG G 1RMOGM ——分別氣〔干氣〕視分子量,kg/kmol;gM ——凝析油視分子量,kgoR ——摩爾油氣比,kmol/kmol;MOG ——復(fù)合烴類氣體的相對(duì)密度;G ——復(fù)合烴類氣體的粘度,mPa﹒s;G f(,M ,Z )G G G G ——復(fù)合烴類氣體密度,㎏/m3;GZ ——復(fù)合烴類氣體偏差系數(shù);GZ f(p,T, )G Gf ——復(fù)合烴類氣體摩阻系數(shù);Gf f(R) G eG

ed(R)eG

——復(fù)合烴類氣體雷諾數(shù);(R)eG

f(G

,,VG

,d)V ——復(fù)合烴類氣體體積速度,m/s;GV WG G

/(86400 A)GA——油管截面積,㎡。計(jì)算程序見附錄,程序4.4〔q 0〕W氣中含凝析油和水將自然氣中含凝析油和水的問題視為復(fù)合烴類氣體與水的氣水兩相問題,認(rèn)為氣水兩相混合物的流態(tài)仍為零狀流,因而氣、水體積流速一樣,即相對(duì)速度為零,計(jì)算所用公式如下:pdpHptf

p2

TZf W

2

G

〔4-38〕 7.6511016TZ

dmMGF

5 wG式中 FGw

——含水校正系數(shù);F 1W /Ww w GW ——水的質(zhì)量流量,㎏/d;wf ——?dú)馑旌衔锏哪ψ柘禂?shù);mf f(Rm e

) ,em d(R)e m

——?dú)馑旌衔锏睦字Z數(shù);(R)e m

(R) FeG w其余符號(hào)同前。計(jì)算程序見附錄,程序4.4〔q 0〕w9 垂直管氣液兩相流Hagedorn-Brown方法〔1965〕根本公式對(duì)垂直管氣液兩相流,用壓力梯度表示的根本公式為〔無(wú)視動(dòng)能項(xiàng);P f q2M2 106g m L t

〔4-39〕H 四個(gè)重要的無(wú)因次參數(shù):

9.21109d5mN 3.1775V (/)0.25lv sl l

〔4-40〕N (/)0.25 〔4-41〕gv sg lN 399.045d(/)0.5d lN 0.3147 [1/(3)]0.25u ul l計(jì)算氣液混合物密度:

〔4-42〕〔4-43〕 H H) 〔4-44〕m l l g l計(jì)算兩相摩阻系數(shù)仍用Jain公式。雷諾數(shù)的定義式為:VnmNRe nm

d1.474102qldl

Mt 〔4-45〕m m以上公式中的符號(hào)說(shuō)明如下:H ——垂直管深度增量,m;pH上的壓力增量,Mpa;m——?dú)庖夯旌衔锩芏?,㎏/m3;g——重力加速度,m/s2;fm——兩相摩阻系數(shù),可用Jain公式計(jì)算〔2.1〕;ql——地面產(chǎn)液量,m3/d;Mt——地面標(biāo)準(zhǔn)條件下,每產(chǎn)13/3〔ST;d——油管內(nèi)徑,m;g——?dú)怏w密度,㎏/m3;H——持液率:lV ——?dú)庖夯旌衔锼俣?,m/sV

V ;m m sg slV ——?dú)怏w表觀速度,m/sVsg

q /A;gV ——液體表觀速度,m/sVsl

q/A,Al

d2;4 ——無(wú)滑脫氣液混合物密度,n n l

g ll

V /V ,sl m

Hl

(1Hl);——液體粘度,mPa﹒s;l ——?dú)怏w粘度,mPa﹒s;gN ——液體速度數(shù);lvN ——?dú)怏w速度數(shù);gvN ——管道直徑數(shù);dN——液體粘度數(shù); ——表活

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