气液两相流管道流固耦合问题

气液两相流的不稳定流动和管道变形之间的相互作用,极大地改变了流体管道系统的特性,促进了气液两相流管道流固耦合的研究进程。概述了国内外单相输流管道流固耦合研究现状,重点阐述了海洋立管气液两相混输中严重段塞流的流动规律及其流固耦合问题的研究情况,评述了输流管道流固耦合的常用数值计算方法。分析了当前气液两相瞬变流流固耦合研究中存在的问题,展望了其发展前景。     

气液两相流瞬态数值模拟

多相流动的瞬态数值模拟最常用的是双流体模型,由于受技术垄断的影响,其相关求解资料较少.为此,通过采用有限体积法,将SIMPLE算法推广到两相流形成SIMPLE-MF算法,用于双流体模型的求解效果较好,并开发了两相流瞬态模拟程序.     

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。     

曝气池内气液两相流CFD模拟

对曝气池反应器内的气液两相流动进行了三维瞬态数值模拟,模拟采取了双流体模型,液相湍流采用标准k-ε方程,两相间的动量传递只考虑曳力作用。模拟获得了曝气池内的液速及不同径向位置的轴向液速分布、气含率分布等,结果表明,气泡刚开始以直线垂直上升,过一段时间后,气泡的运动开始偏离轴中心,气泡群开始发生了摆动;随着气体速度增大,气含率分布变宽,气含率增大,液体循环液速也在增大,气液之间混合越充分,曝气效果越好。     

气液两相流管道内腐蚀失效概率计算方法

气液两相流管道广泛存在于油气开采和集输过程中,确保其安全可靠运行具有重要的理论和工程意义。在所有失效类型中,内腐蚀缺陷是造成气液两相流管道结构失效的主要原因之一。将管道内腐蚀速率预测模型与结构可靠性评价方法相结合,对气液两相流管道进行内腐蚀失效概率计算:针对气液两相流的流动特征,采用流体相平衡模型、气液两相流模型及腐蚀速率预测模型,计算气液两相流管道在不同流型下的内腐蚀速率;基于ASME B31G-1991《腐蚀管道剩余强度评价方法》中推荐的腐蚀缺陷极限状态方程,考虑管道运行和制造中存在的不确定性,并结合腐蚀速率计算结果,采用蒙特卡洛方法计算管道发生小孔泄漏和爆裂的失效概率。将提出的内腐蚀失效概率计算方法应用于某气液两相流管道,结果表明当缺乏有效的内检测数据或实际管输工艺发生变化时,该方法能够有效预测失效概率,保障油气管道输送安全。     

气液两相流管束分离器数值模拟与实验验证

由于气液两相流分流分相法计量分离器存在结构复杂、液位难稳定等特点,设计加工了一种新型气液两相流管束分离器,通过数值模拟得到不同气、液相折算速度及不同流型入口条件对管束分离器分离效果的影响,并进行实验验证,对分离器的工作性能进行评估。结果表明:在分层流、段塞流、环状流流型条件下,分离器内气液分离效果较好,且分离器内气液相界面保持稳定,维持在分离器中部。实验验证可知:当气相流量在50~1 500 L/min、液相流量在50~2 400 kg/h范围内时,分离器内气液相界面保持稳定,分离误差均在±2.5%以内,计量效果良好,与模拟结果吻合。设计的管束分离器结构简单、工作液位稳定,为两相流分流分相法计量分离器的设计提供了技术支持。     

矩形斜板湿法除尘塔气液两相流数值模拟

以自主研制的矩形斜板湿法除尘塔为物理模型,采用CFD(计算流体力学)软件Fluent对塔内三维气液两相的流场进行了数值模拟.计算中气相采用标准k-ε湍流模型,液相采用拉格朗日离散相模型,液滴的壁面行为采用壁面液膜模型.结果表明:矩形斜板除尘塔能有效地增大气液接触面积,增强气液扰动,延长气体在塔内的停留时间;在塔体的进口区域会出现烟气冲壁和液滴冲壁的现象;在进气管一侧的塔体顶部会出现流动死区;喷淋液体对气场有一定的整流作用,在喷嘴处可以观察到气体卷吸的现象;增大进口烟速,可增大液滴在塔内的充满度,但同时会出现液滴夹带的现象.最后,在不同气速,不同的液气比下对塔内的压力损失进行了实验验证,实验值与模拟值吻合较好.     

伴有液柱分离的管道气液两相流动分析方法

管道中伴有液柱分离的气液两相流动的常用分析方法有均质泡状流模型和集中空穴模型 ,其中集中空穴模型由于计算简单 ,易于和特征线法结合而得到了广泛的应用。通过对Streeter Wylie的蒸汽 液体模型进行改进 ,得到了新的集中空穴模型。模拟计算表明 ,集中空穴模型由于考虑了管道中气体空间的存在使液柱的长度和自由液面高度发生变化 ,以及出现气体空穴的截面与上、下游截面间的质量守恒 ,能够更有效地反映气液两相流动的真实状态 ,优于蒸汽 液体模型     

界面作用对气液两相分层流的影响

介绍了几种考虑了界面间相互作用的分层流分析模型和实验结果。在气液两相分层流系统中,界面间的相互作用对动量转换、预测压降和持液率等都有影响。当气相速度超过产生界面波的气相速度时,界面摩阻系数随气相速度线性增加,而且比例系数与管径关系不大。液体粘度及流速对界面摩阻的影响是次要的。流动性质对界面摩阻的影响与波的性质相关。无论气体还是液体,其雷诺数对界面波动稳定性有重要影响。     

自吸泵内气液两相流分析及数学模式

本文以自吸式离心泵中的气液两相流为研究对象，利用湍流、射流理论中的Tolleimn平面平行射流边界层方程及气液两相流理论，在一定的假设条件下，得出变密度和无因次纵向速度方程，并拟合出了叶轮出口的排气量和自吸时间的计算公式。     

气液两相流常温输送工艺及压降计算

本文论述了气液两相流常温输送工艺的节能价值及其在常温输送工况下的压降变化规律。文内并介绍了一种通过实验和生产实践总结出来的半经验气液两相流压降计算公式。     

弯管内气液两相流局部阻力特性研究

以气水、油气为工质,对水平进口、垂直出口向上的90°弯管内气液两相流局部阻力特性进行了实验研究。通过对内径为45mm、弯曲半径为180mm的弯管试验结果进行分析,总结出了气水、油气两相流体流过弯管时的局部阻力变化规律,重新提出了计算弯管局部阻力的统一计算公式。其计算结果与试验值符合良好。     

自吸泵内气液两相流分析及数学模式

本文以自吸式离心泵中的气液两相流为研究对象，利用湍流、射流理论中的Tolleimn平面平行射流边界层方程及气液两相流理论，在一定的假设条件下，得出变密度和无因次纵向速度方程，并拟合出了叶轮出口的排气量和自吸时间的计算公式。     

基于直管道的湿煤灰两相流数值模拟

基于欧拉模型,利用FLUENT软件对直管湿煤灰固液两相流进行了数值模拟,通过改变水灰体积配比,分析不同体积比的管道流速和压强。研究发现,水灰比体积配对直管流体流动影响较大:煤灰的体积分数从10%增大到40%的过程中,运输的效率越来越高;但体积分数增加到50%及以上时,出现"堵塞"现象,效率下降;煤灰体积分数为40%时管道流体流动效率最佳。     

气液两相流持液率及压降特性的试验研究

研究了不同流型下压力降与持液率的特点,以及压降脉动信号的方差与持液率、气、液相流量之间的关系.试验结果表明,分层流动的持液率值最高,平均压降最低;环状流动持液率值最低,平均压降值最高;段塞流动位于两者之间.分层流压降脉动信号的方差很小,随气、液量和持液率的变化小;段塞流压降脉动信号的方差最大,随气相流量和持液率的变化而变化较大,在相同气量下,方差随持液率的增大而增大,在相同持液率下,方差也随气量的增大而增大;环状流的方差在分层流和段塞流之间,气相流量的变化对压降脉动信号的方差的影响小,但液相流量的变化对其影响较大,随着液相流量和持液率的增大,压降脉动信号的方差会增大.     

输油管道弯管固液两相流流动特性数值模拟

为了除去输油管道弯管低洼处的泥沙颗粒杂质,利用Fluent进行数值模拟,研究油流流速、弯管上倾角、颗粒粒径对泥沙颗粒运动规律的影响,利用Origin对模拟数据进行拟合处理,分别得到油流流速、颗粒粒径、弯管上倾角与压力梯度的函数关系式。结果表明:随着油流流速增快、弯管上倾角增大、颗粒粒径减小,管道压力梯度增大;油流流速与压力梯度的函数关系式斜率最大,说明油流流速对弯管压力梯度的影响最大。此外,对上倾角与压力梯度、颗粒层迁移速度之间的关系进行了分析,在所研究的模拟工况下,应选取小于30°的弯管上倾角。(图4,参25)     

海底管道泄漏天然气扩散规律数值模拟

为研究浅水区域海底管道泄漏天然气扩散规律,减少重大事故的发生,基于计算流体动力学(CFD)理论,建立海底天然气管道泄漏事故后果预测和评估模型。通过用户自定义函数(UDF)给出海流流速分布情况,结合VOF模型和k-e湍流模型,实现对泄漏天然气扩散行为的模拟,研究不同泄漏速率、泄漏孔径及海流流速对天然气在海水中扩散行为的影响。结果表明:海底天然气泄漏扩散大致经历气云团→大气泡→小气泡3种形态的变化过程;泄漏速率越大,扩散气体气泡半径越大,与海水掺混比例越小,抵达海面的时间越短;泄漏孔径变化对天然气扩散的影响与泄漏速率变化影响相同,但泄漏孔径变化对天然气扩散形态的影响更为明显;海流流速越大,气体扩散轨迹与海底的夹角越小,沿海流方向的扩散距离越大。     

气液两相间歇流流型下的蜡沉积规律

利用多相流动蜡沉积试验环道,以高含蜡量原油为试验介质,对气液两相流的蜡沉积规律开展试验研究,得到间歇流流型下蜡沉积层厚度随液相折算速度、气相折算速度和间歇频率等流型影响因素的变化规律。结果表明：在间歇流流型中,蜡沉积物在管壁环向分布较为均匀。当液相折算速度恒定,平均蜡沉积层厚度随气相折算速度的增大而减小。若气相折算速度保持恒定,液相折算速度较低时,平均蜡沉积层厚度随液相折算速度的增大而增大;液相折算速度较高时,平均蜡沉积层厚度随液相折算速度的增大而减小。若气相折算速度相同,段塞频率随液相折算速度的增大而显著增大,导致平均蜡沉积层厚度呈现减小趋势。研究结果为建立气液两相流动蜡沉积动力学模型奠定了基础。（图6,参6）     

孔板与涡街流量计组合测量气液两相流实验

苏里格气田在井间串接、井口带液计量模式下,存在单井产液量无法准确计量的问题。基于孔板流量计、涡街流量计流体测量理论,将两种流量计串联组合,开展了不同液气比条件下的空气-水两相流室内实验,并将不同液气比情况下孔板流量计、质量流量计与组合测量装置空气、水的计量误差进行对比。结果表明:当液气比为0～100 m~3/(10~4 m~3)时,气相测量误差均低于5%;当液气比为3～86 m~3/(10~4 m~3)时,液相测量误差基本低于10%。孔板与涡街流量计组合测量装置的液相测量范围广,可以为苏里格气田排水采气井的气液两相计量提供技术支持。(图3,表2,参20)     

积分模型求解管道两相流压降

采用积分模型计算管道沿程压降,将管道划分成均匀方形网格,每个网格和相邻网格在性质和参数上都不同,通过逐层迭代计算,并利用实测终端压强值进行校正,在误差允许范围内,模拟出管道中的两相流动状态以及各处压强变化情况。考虑了管道流动中流型的变化,即在各个不同区域的不同流型内分别利用公式定量地规范计算出各种流型下的结果,避免了单一流型笼统计算出结果的较大误差。