海洋立管系统严重段塞流数学模型

介绍了几种典型的严重段塞流预测模型,建立了满足质量和动量守恒的描述混输立管系统内部周期性流动的一维瞬态流动模型.将模型计算结果与实验数据及OLGA软件计算结果进行对比,结果表明:模型计算的立管底部弯头处的压力值变化趋势及段塞周期等参数与实验数据吻合较好;模型计算结果与OLGA软件计算结果存在一定偏差,但在工程可接受范围之内,说明该模型能够对立管系统严重段塞流进行较准确的数值模拟,可为海洋立管系统的合理设计提供理论依据.     

立管严重段塞流的一维数值计算与试验对比

针对海洋立管的严重段塞流现象,在等温条件下,采用特征线法,根据下倾管和立管中的气液相连续性方程和动量守恒方程,以及严重段塞流的4个不同阶段的特点,考虑气相的压缩性,分别建立了4个阶段相应的瞬态流动模型,进而得到了准平衡态的一维立管系统严重段塞流物理模型。将模型计算结果和立管试验数据进行对比,结果表明:计算得到的段塞周期和立管底部压力等特征参数与试验数据吻合较好。     

海洋L形立管系统不稳定流简化计算模型

根据严重段塞流4个阶段的特点,针对L形立管系统不稳定流建立了一维准平衡态简化计算模型,其忽略摩阻和加速度的影响,立管中气相穿透过程应用漂移流模型。气相穿透、气液喷发阶段采用特征线方法求解,并引入气相密度偏移修正过程,能够对典型严重段塞流和液塞长度小于立管高度的过渡严重段塞流进行模拟。将模型计算结果与实验室结果以及其他文献的实验数据进行对比,结果表明模型能够对L形立管系统中的两相不稳定流动进行较准确的模拟。（图2,表3,参16）。     

地形起伏多相管流段塞流流动参数计算

在起伏多相管流中常出现段塞流。段塞流流动特性参数的计算只能采用经验或半经验关系式。现场实践表明,段塞长度不仅与管径有关,而且还与气液相速度和气液相粘度等有关。结合现场试验,提出了一种计算起伏多相管流中段塞流流动特性参数的准确方法。     

文昌油田集输-S形立管内严重段塞流的分析与控制

针对文昌油田群8-3A平台、14-3A平台及116FPSO(浮式生产储卸油装置)之间油气混输管道中发生的严重段塞流开展理论分析与试验研究。根据严重段塞流的判别准则,从理论上分析了文昌油田14-3A海管中的流动状态。基于海管尺寸设计改造了集输-S形立管严重段塞流试验平台,模拟现场油气水在海管中发生的各类流型及其转变过程。基于段塞流消除理论和经典PID控制理论,提出一套依据管道各处压力信号的节流阀自动控制程序,在试验中有效消除了严重段塞流。通过对116FPSO进行改造,将该技术应用于文昌油田群现场,显著降低了下海管压力和上FPSO压力的波动幅值,提高了油气产量。(图9,表3,参29)     

改进的段塞流特性参数理论计算模型

段塞流特性参数的计算是油气混输管道工艺计算的基础。诸多研究成果表明，用平衡液膜简化法计算段塞流流动参数，其计算结果明显比试验数据的偏差大。在液膜高度渐变物理模型的基础上，用两相流水力学方程，推导了一个段塞流液膜区完全耦合的流动参数计算模型。在计算液塞区参数时，采用了一组综合流体物性、倾角、管径等因素的经验计算式，其中部分关系式经过Tulsa大学TUFFP数据资料分析，与现有半经验半理论的计算式相比，统计误差较小，准确度较高。利用改进的计算模型对某油田一段混输管道的段塞流特性参数进行了预测。     

流动调节器波纹管结构参数的优选

在油气田开发后期,海洋立管系统易出现段塞流,对海洋平台危害巨大,而波纹管能够有效调节流型消除段塞流。建立波纹管数值模型,通过对波纹管内部流动进行模拟,验证了该模型的准确性,分析了波纹管对分层流的流动调节作用,对比不同结构参数波纹管的流动调节效果,并对波纹管的结构参数进行了优化。结果表明:波纹管能够将分层流调节为非分层流,从而消除强烈段塞流,是一种有效的被动消除法;在一定的安装空间下,波纹管的标准弯管数量越多,向心力方向的改变次数越多,流动调节作用越显著;流体流速增加,惯性力增强,向心力造成的扰动作用减弱,波纹管出口物流分配的均匀性降低;工程实践中,弯曲中心角取90°既便于标准弯管的加工,又能满足流型调节的要求,标准弯管数目的确定应根据安装空间和投资要求综合考虑。     

气液两相流瞬变流数值模拟研究

根据双流体模型建立了气液两相流瞬态水力学模型,对数学模型进行了特征化分析,利用模型方程的特征值和左特征向量将偏微分方程组转化为常微分方程组。以预估-校正法为基础,采用差分特征线算法进行数值求解,并编制了相应的程序。在大型多相流试验环道上进行了气量快速增加和减小的试验,计算值与试验值的比较结果表明,算法的收敛性和稳定性很好,程序较好地预测了气相流量瞬变过程中的压力和含气率的变化,能够分析瞬态流动过程中各参数的变化。     

海洋立管气液两相流动模拟研究进展

随着海洋石油工业的发展,从20世纪70年代的浅海立管到21世纪的深海立管,海洋管道发展了多种新的形式,如悬链线立管、S形立管等。对于各种混输立管系统,严重段塞流等不稳定流动会造成设备损坏,严重影响安全生产。因此,实现立管流动的准确模拟,通过合理设计和科学运行控制、消除严重段塞流,具有重要意义。综述了国内外海洋混输立管流动模拟的研究成果,包括L形立管和柔性立管的实验研究、模型模拟及软件模拟的主要进展。指出了当前研究中存在的问题及未来的研究方向,可为进一步开展立管流动模拟研究提供参考。     

海洋L形立管系统底部连续气举水力模型

为了研究海洋L形立管系统底部连续气举水力模型,基于立管底部连续注气条件,分析L形立管系统内可能发生的两相流动过程,建立了针对下倾管-立管系统严重段塞流工况下立管底部连续气举的一维准稳态数值模型。该模型能对有回落循环过程、无回落循环过程、非稳态震荡过程及稳态两相流动过程的相关参数进行数值模拟,从而得到不同流动类型特征参数随时间变化的规律,且模拟结果与第3方实验数据吻合较好。与Jansen模型相比,该模型的适用性和稳定性更强。基于模型模拟结果和实验数据,分析了注气量对立管底部连续气举效果的影响,以期对海洋立管系统安全稳定流动提供借鉴。(图8,表3,参27)     

基于OpenFOAM的化工泵全流场数值模拟及性能预测

为了验证开源软件OpenFOAM在化工泵数值计算中的准确性,以OpenFOAM5.0为平台,在0.3 Qd^1.4 Qd(Qd为设计工况流量)的工况范围内对IH型化工离心泵进行稳态和瞬态全流场数值计算。流动控制方程选取标准k-ε湍流模型,稳态和瞬态计算分别采用simpleFoam和pimpleDyMFoam求解器。通过后处理软件ParaView显示计算得到的泵内流速、压力及流线分布,分析泵内旋涡与流动损失的关系,预测计算泵的扬程、输入功率及效率等外特性参数。在同样的计算模型、网格及边界条件下,将开源软件OpenFOAM和商用CFD软件预测计算的泵性能参数与实测结果进行对比,结果表明:OpenFOAM在化工泵性能预测方面有较高的精度。     

水合物浆液流动特性数值模拟

考虑水合物颗粒体积分数对水合物浆液粘度的影响,应用CFD／FLUENT模拟得到了设计工况下水平管中水合物浆液流型、床层高度,颗粒体积分数分布,管道压降、平均粘度等数据,同时基于DoronP等提出的适用于固液两相流动的双层流动模型,编程求解各工况下的流动参数。通过对比模拟结果、计算结果和实验结果可知,数值模拟方法可以对水合物浆液在水平管中的流动压降进行准确预测,而通过编写UDF,将水合物颗粒流动过程中的粒径分布考虑其中,可以更好地描述水合物浆液的流动状态。因此,数值模拟方法可以作为研究水平管中水合物浆液流动特性、分析流动参数影响因素的有效手段,但尚存不足,有待完善。（图7,表4,参10）     

渤西油田严重段塞流控制措施数值模拟

渤西油田QK18-2平台至QK18-1平台之间的混输海管存在严重段塞流现象,由于段塞的不稳定性,易导致分离器发生溢流造成危险。采用OLGA软件对两平台之间的海底管道模拟计算得知,立管底部压力和管道出口瞬时液体质量流量发生剧烈的波动。为了防止严重段塞流危害管道及管道下游的工艺设备,分别对顶部节流法、多相泵增压法、气举法3种控制措施进行数值模拟,结果表明:3种方法均能很好地抑制严重段塞流。当节流阀开度为3%、多相泵安装在立管底部且增压为0.5 MPa、注气量为5 kg/s时,海管严重段塞流完全消除。综合考虑,最终推荐采用顶部节流法,建议节流阀开度为10%,以此有效地指导了渤西油田段塞流控制的工程实践。     

单环管网内气体瞬态流动分析

本文从流体力学基本方程出发建立了单环管网气体瞬态流动数学模型(此数学模型不仅适合于瞬态流动,同时也适用于稳态流动)。运用数理方法求出沿管线压力分布的解析表达式。适应输气量随时变动情况下的计算。编制了计算机程序,同时例举了算例。     

离心泵流场及动力特性研究*

 采用CFD软件在多参考坐标系下,利用有限体积法对雷诺时均N-S方程进行数值离散,选用标准κ ε湍流模型与SIMPLEC方法求解,对某新型离心泵进行了叶轮蜗壳耦合三维定常湍流数值模拟,捕捉到了离心泵叶轮内的压力分布、速度分布等重要流动信息,计算了不同流量工况下水泵叶轮受力特性以及水泵能量和空化性能,并与试验方法进行对比,两者基本吻合,从而验证了计算结果的可靠性,为离心泵泵壳和叶轮的水力及优化设计等研究具有重要的指导意义。     

不同滴灌水温在灰漠土中水热耦合模拟与验证

【目的】滴灌条件下不同灌溉水水热状况对土壤水热状况的影响规律,根据土壤水、热运动基本方程,建立了地表滴灌水、热运移数学模型。【方法】采用正交试验设计,设计不同滴灌水温水平及其组合,共计40个试验处理。利用 HYDRUS-1D 软件建立的数学模型进行了数值求解,与实测数据结果进行验证。【结果】建立新疆灰漠土土壤含水量与压力水头的模拟方程(1)公式;(2)e^l_n0.328 9Q－0.063 81.560 5(h<0),确定土壤的水力学参数和热特性参数。【结论】利用该数学模型对地表滴灌条件下作物生长所需的土壤水、热环境条件模拟预测。从模型的数值模拟值和实测结果对比验证显示,地表滴灌条件下低水温(10℃)和高水温(30℃)对土壤表层影响比较大,而且在早春增加一定的灌水温度,有利于作物苗期的生长。     

非结构网格二维理想MHD绕流逆风格式解法

在非结构网格上发展了针对二维理想磁流体方程组的逆风格式求解方法.控制方程中的对流项采用AUSM格式处理,时间推进采用显式5步龙格-库塔方法.为了消除计算中产生的磁场散度的影响,引入了双曲型散度清除方法.通过对磁流体激波管问题的求解验证了该方法对激波的捕捉能力,对有均匀磁场干扰下的喷管流动情况进行了数值模拟,并与文献中结果进行了对比.计算结果显示了磁场对磁流体流动的干扰效应,该结果与参考文献中的数值模拟结果相吻合.     

注射成型的计算机数值模拟中参数S的探讨

在注射成型的数值模拟中，流导S是一个在压力场和温度场求解过程中耦合压力方程和能量方程的关键参数，基于材料非弹性、非牛顿、非等温的流动充填机理及边界条件，建立了温度、剪切速率、粘度、流导S的数学模型，并采用了外推法和非流温度法计算流导，研究结果表明：流导S与压力的相关性决定了压力代数方程的线性性；S是模腔半厚度h的增函数；非流温度法减少了外推法过度外推引起的误差。     

气液混输管道组分跟踪及相变量预测

气液混输过程中存在相间能量消耗、相间传质等现象,从而影响管内介质的流动状态和管道运行参数,气液相的组成也会不断变化。利用LedaFlow软件对某实际气液混输管道进行稳态模拟,对比分析物性表模型和组分跟踪模型得到的管道沿线参数模拟结果以验证组分跟踪法的可靠性,进而开展管道瞬态模拟,分析流体组成的变化规律并预测气液两相相变量。结果表明：该管道内流体沿程液化,气相摩尔流量下降,其瞬态流动过程为一个气相不断液化的过程;在稳态模拟中采用LedaFlow相平衡计算方式,即按照各相的流量占比与静止状态下的气液相分布相同的原则,可更为准确地确定流动过程中的相变量。研究成果可为气液混输管道中相变规律预测提供理论基础,提升气液混输管道流动安全评价的准确性。（图11,表2,参23）     

催化转化器载体对流场及压力损失的影响

利用计算流体动力学(CFD)软件，建立了催化转化器流场的二维模型。对催化转化器的稳态流动进行了数值模拟．在此基础上对不同载体参数催化转化器的流动分布和压力损失进行数值计算，分析了载体长度、长径比和开口率等结构参数与催化转化器流场及压力损失的关系．数值计算表明：载体对气流的阻力能起到使之趋向于均匀分布的作用．