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。     

气液两相流流型的判别方法

为研究气液两相流的流型变换规律,建立高计算精度的气液两相流水力计算模型,以Shoham和Kokal的实验数据为基础,对通用流型判别法、改进的Taitel-Dukler流型判别法及段塞流特征分析法用于气液两相流流型判别的效果进行验证。基于以上3种判别方法,给出流型判别图,并与实验数据进行对比,总结出3种判别方法的特点。结果表明:通用流型判别法和段塞流特征分析法对气液两相流流型的判别结果较好,其中通用流型判别法的计算适用性更强,研究成果为气液两相流水力计算提供了流型判别算法的选取依据。     

基于双流体模型的管内气液两相流稳态计算方法

基于双流体模型的理论稳态综合水力学模型编制了模拟程序,发现持液率的微小波动将导致求解的压力、流速等结果严重偏离准确值.为避免持液率对求解结果的影响,提出了一种简化的计算模型,并将该模型计算结果与试验数据进行了对比,结果表明,模拟结果与试验数据有很好的吻合.     

气液两相流流型信号的分形特征分析

对气液两相流流型的最化描述是气液两相流流型识别的关键问题。在室内气液两相流综合试验环道上，对气流两相水平管流中分层波状流向段塞流的转变过程进行了测试，采用了基于小波变换的分形理论对流型信号整体与局部的相似性进行了量化分析。结果表明，分层波状流和段塞波信号的分形维数之间存在显著差异，其分形维数可以作为流型量化描述的一个新指标。     

水平管内油水两相流流型的实验研究

利用白油和自来水作为实验介质,在内径为２６．１ｍｍ、长约３０ｍ的水平不锈钢多相流实验环道上进行了油水两相流实验。实验中进行了流型测量和观察,观察到了７种油水两相流型,分别属于分散、分离和分散分离混合流型。对油水两相流型及流型间的转化作了仔细的描述,根据流型特征进行了流型划分。     

水平管内油气两相流型转变的实验研究

通过进行水平管内油气两相流型实验，对影响管内油气两相流型转换的各种因素进行了综合的分析，并根据所作的油气两相流型试验结果，用量纳分析的方法得出了各流型间转换的准则关系式，以期达到准确定量地预报水平及倾斜管中油气两相流型的目的。     

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.     

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）     

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。     

气液两相管流工艺计算软件的研制和应用

OGTPP软件具有湿天然气管道的稳态和瞬态计算、油气两相单模型和组合模型计算、专用的工艺计算和湿天然气物性参数计算模块等功能.与实测值进行了对比,该软件在多相流模拟方面具有足够的精度,能正确反映沿线压力和温度的变化趋势.实际运用表明,OGTPP操作方便、界面友好、分析能力强,能满足多相流管道设计和管理的需要.     

垂直管气液两相流中压力降Orkiszewski预测模型的改进

与垂直管中气液两相流压力降的实验数据比较,Orkiszewski模型预测的压力降,其平均相对误差达到63.62%,最大相对误差达98.07%。针对Orkiszewski模型预测相对误差偏大的问题,首先介绍了实验数据的获取过程,然后结合实验数据,指出Orkiszewski模型对环雾流流型的预测误差较小,对段塞流流型和过渡流流型的预测误差偏大。对Orkiszewski模型的参数进行了敏感性分析,结果表明液体分布系数模型中的阈值是敏感性最强的参数。同时通过分析Orkiszewski模型的组成结构,指出段塞流流型中的液体分布系数计算公式复杂。为此,提出了一种新的液体分布系数阈值模型,得到了一种改进的Orkiszewski模型。实验数据的计算结果表明了改进模型的优越性,改进模型的预测平均相对误差降低到34.98%。针对油相连续且总流速达到3.048m/s的段塞流流型数据,改进模型的平均相对误差可以从原模型的76.17%降低为17.21%。     

塔式立管气液两相流的压力波动特性试验研究

为了研究深水油气田塔式立管系统气液两相流压力波动特性,通过室内试验分析了不同流型下的压力变化特征、压力波动幅值等。室内试验得到了6种流型,每种流型对应特定的压力波动形式,且最大波动幅度出现在严重段塞流向稳定流转变过程中的过渡流型Ⅱ上。通过分析立管底部的最大、最小压力,得出如下规律:压力波动幅值随折算气速的增加呈现先增大后减小的趋势,且流型的转变对气速的敏感性高于液速。通过概率密度函数(Probability Density Function,PDF)和累计分布函数(Cumulative Distribution Function,CDF)的统计学分析,得出系统压力的PDF和CDF曲线在各种流型下的分布形态:下倾管底部压力PDF曲线在严重段塞流下高压区单峰特征显著;过渡流型下左右两峰相当,呈两端高、中间低的形态;稳定流型下峰值数量增加、压力范围集中;CDF曲线在高压区的拐点与PDF曲线的峰值对应。跨接管底部压力PDF曲线峰值均处于低压区,且中间高、两端低。在严重段塞流下,曲线呈现双峰和三峰分布,稳定流表现为单峰对称分布。结合压力PDF和CDF曲线可辅助分析和判别流型,并直观获得塔式立管系统压力概率分布特征,以此作为其疲劳损坏和安全评估的参考依据。     

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.     

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。     

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。     

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。     

新型油水两相水平管流流型分类方法

阐述了已有的油水两相流的流型分类,指出了其中的不足与局限.在研究前人的可用试验数据的基础上,根据油水两相流的流变学特性,对油水两相流的流型重新进行分类,主要分为牛顿流动流体和非牛顿流动流体两大类.对这两类流体呈现出的流动形态进行了分析,结果表明,新的分类法考虑全面具体,分类明确清晰.     

预测水平管-气液两相环状流液膜分布的简化模型

对环状流切向动量方程进行了化简,忽略了二次流引起的剪切应力、静压梯度,同时不考虑液相夹带的影响,得到一个简化的水平管环状流液膜分布模型。在测试段直径为40mm的两相流实验环道上进行了试验,采用新型电容探针测量了与管底部夹角分别为0°,45°,90°,135°,180°共5个周向位置处的液膜厚度。模型预测值与试验结果和文献数据相符。与传统预测方法相比,该模型只需要气液相流量作为输入参数,从而大大简化了运算。     

基于超声波技术的水平管气液两相流流型识别方法

根据超声波在不同介质界面处的反射回波强弱不同的特性,提出了应用超声波对水平管气液两相流流型进行非介入式在线识别的方法。理论计算得到钢管内壁接触的介质分别为水和空气时的声压反射率,证明了超声波流型识别法的可行性。数值仿真研究管内的流体分别为水、空气时不同界面的反射回波特点,得到了超声波流型识别法的实现方式。依据数值仿真结果,开展超声波气液两相流流型在线识别实验,分析气液两种流体在管道横截面上的分布,从而识别水平管气液两相流流型。研究结果表明：在不影响生产的前提下,超声波流型识别方法能够准确获取水平管气液两相流流动过程中的实时流型,操作方法简便,且结果可靠。（图10,表1,参9）     

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。