悬链线立管多相流流型研究

以水和空气为介质,在不同倾角的水平段和悬链线段组合中,研究气液两相流可能出现的流型及其特点,其中流型主要通过肉眼观察结合压力波动检测的方法来进行辨别.同时针对实验范围内出现的部分流型,研究该流型下管段压力和压降随气液速度以及角度的变化规律,并对悬链线管段为段塞流和严重段塞流时管内含气率、气泡长度、气泡速度、气泡频率等参数进行测量.结果表明:试验范围内共出现9种组合流型,4种组合区域所占区域最广;气液流速的变化对管线压降有一定的影响,水平管段的角度对压降的影响远小于气液速度的影响;液速一定时,段塞流和严重段塞流含气率随气速的增加而增加,气速一定时,段塞流和严重段塞流含气率随液速的增加而减小.     

考虑弹性基础的气液两相流海洋立管耦合振动分析

基于气液两相流立管系统的模态分析和气液两相流流动特性试验,预测与评估不同流态的气液两相流引起弹性基础上海洋立管的振动特性。模态分析中考虑流体密度分布的变化和不同弹性基础系数对振动模态的影响;气液两相流流动特性试验中,绘制含7种流型的流型图,测试各流型的压力波动特性并进行时频分析。模态分析与试验结果相结合,分析不同弹性基础时7种流型引起立管共振的可能性,并预测各流型引起立管振动的特性。最后,测试7种流型引起的试验装置的振动响应,验证耦合振动分析方法的准确性。结果表明:气液两相流和弹性基础对立管系统的固有频率和振型有显著影响;立管系统无弹性基础支承时,严重段塞流I、严重段塞流Ⅲ、段塞流和波动气泡流会引起立管系统的共振;基础的弹性系数较大时,两相流不会引起立管系统的共振,试验装置的振动响应与管内两相流流动参数的波动规律一致。     

基于CFD的海洋立管系统严重段塞流数值模拟

利用CFD软件Fluent建立二维全尺寸仿真模型,对立管实验装置中的严重段塞流现象进行数值模拟研究。模拟方法中,采用液体体积函数(volume of fluid,VOF)法追踪气液界面;将长距离海底管道等效为箱体,以提高计算效率。模拟出了立管系统中的四种流型:典型严重段塞流(SSI)、严重段塞流II(SSII)、过渡流型(SST)和稳定流动;并对这四种流型的模拟结果进行了实验验证。最后,对典型严重段塞流的瞬态流动特性进行了深入分析。结果表明:采用数值模拟方法计算效率高,可准确模拟严重段塞流现象,为长距离立管系统中严重段塞流研究提供了切实可行的模拟方法。模拟工况下,气液喷发的瞬时质量流量可达入口的2.5倍以上,气液平均流速可达入口的4.5倍以上,其瞬态流动特性的分析对严重段塞流危害的准确评估有重要意义。     

严重段塞流压力波动特性试验

为了考察上升管中严重段塞流的变化规律,在强烈段塞流模拟试验装置上利用压力传感器对严重段塞流进行了测试.通过对单个液塞经过管道上某一测压点时的压力信号的理论分析,给出了压力波动曲线上的特征点与液塞相对于测压点位置之间的对应关系,并得到了利用单压力信号求得液塞运动速度、液塞长度和循环周期等特征参数的方法.研究结果表明,在进口气液相流量恒定的流动中,严重段塞流具有严格的周期性,它的液塞速度、液塞长度和循环周期等参数随时间变化而波动的幅度很小.     

严重段塞流压力波动特性试验

为了考察上升管中严重段塞流的变化规律,在强烈段塞流模拟试验装置上利用压力传感器对严重段塞流进行了测试.通过对单个液塞经过管道上某一测压点时的压力信号的理论分析,给出了压力波动曲线上的特征点与液塞相对于测压点位置之间的对应关系,并得到了利用单压力信号求得液塞运动速度、液塞长度和循环周期等特征参数的方法.研究结果表明,在进口气液相流量恒定的流动中,严重段塞流具有严格的周期性,它的液塞速度、液塞长度和循环周期等参数随时间变化而波动的幅度很小.     

水平气-液两相流伪段塞流和段塞流的识别及其理论预测

水平气-液两相流中,由于气相流速较高时出现的伪段塞流具有环状流和段塞流双重特征,故导致流型识别上的困难.通过对实验数据的分析,利用压力脉动、压力信号的振幅、液塞的速度3种特征来辨识伪段塞流和段塞流,并应用于40和50 mm管径水平管道油气两相流实验.在压力脉动时序图上,段塞流具有伪段塞流所没有的维持段特征,且伪段塞流的压力振幅和液塞速度都要明显低于段塞流.在较高的气相表观速度下,判断段塞流出现的依据在于其上游的液层能否提供足够的液体来维持一个稳定的段塞体单元.根据段塞稳定性理论,对段塞流出现的临界条件进行理论预测,结果与实验数据较吻合,计算得到的流型转变曲线能较好地区分段塞流和伪段塞流区域.     

微气泡抑制垂直管中段塞流过程的实验研究

利用微气泡不易聚并的流体特性,提出了采用微气泡抑制段塞流的新方法.针对实验室规模的海洋石油工业集输-立管系统内段塞流流动过程,利用电阻层析成像技术(ERT)、压力信号分析法和高速摄像法对垂直管段塞流特性和微气泡开展了实验研究,获得了段塞流典型流型以及微气泡流体特性.在微气泡流体特性研究的基础上,进一步探索了微气泡对段塞流的抑制作用,实验结果表明:尺寸范围在1～50μm之间的微气泡,在进气量设定为4 L/min时可在一定流速范围的液体中稳定存在;在气液比为1.18、1.36和1.82时,微气泡对弹状段塞流的发生频率有显著抑制作用,微气泡通过增大边界层的返混和扰动阻力,抑制了段塞的运动,从而降低了段塞的发生频率.     

深海立管中严重段塞流特性模拟研究

随着油气田开发由陆地走向深海,海洋立管系统得到了充分的应用。由于立管的存在,容易导致严重段塞流的形成,引起剧烈的压力和流量波动,对下游生产设备的操作及管线的运行带来了安全隐患。为了研究海洋立管中的严重段塞流,将严重段塞流水力学模型与相平衡计算模型、温度计算模型相结合,建立了严重段塞流组分模型。研究表明,该严重段塞流组分模型的计算结果给出了合理的流动规律,可用于凝析油气管线中的严重段塞流现象的预测。同时,将计算结果与OLGA模型的模拟结果进行了对比,进一步说明了该模型的实用性,对严重段塞流的预测和控制具有一定的借鉴意义。     

分流法消除严重段塞流实验研究

严重段塞流是海洋立管系统中形成的液塞长度等于或大于立管高度的不稳定流型,容易引起剧烈的压力和流量波动,对下游生产设备的操作及管线的运行带来许多不利的影响.在S型立管系统上探索采用分流法对严重段塞流进行控制研究.实验结果表明,该方法能够达到消除严重段塞流的目的.     

大起伏角度下V形管道段塞流流型特性

利用室内实验装置,对大起伏角度条件下V型管道气液流型特性进行实验研究。实验中观测到7种流型,得到了不同流型的持液率波动信号,以实验数据为基础,对改进的Taitel-Dukler判别法、B?e准则、修正B?e准则的流型判别效果进行了验证。实验结果表明：严重段塞流I、II、III周期性明显,具有较大的功率谱密度（PSD）峰值,其峰值由大到小排列依次为I> II> III;环状流PSD幅值最小;V型管道前后倾角变化对严重段塞流范围影响较为明显,当V型管道下倾管倾角或者上倾管倾角增大时,管道底部下凹区域积液量增多,严重段塞流 I区域增大,环状流生成区域减小;改进的Taitel-Dukler流型判别准则计算结果与不同倾角下的实验数据基本吻合,实验观察气团流区域小于准则计算结果,准则计算环状流区域大于实验观测结果;修正B?e准则对于严重段塞流I、II流型判别效果要优于B?e准则;本实验拟合大起伏角度条件下B?e准则的修正系数为3。     

强烈段塞流特征参数试验研究

为了寻求强烈段塞流特征参数的变化规律,在高4 m、内径50 mm的管线中利用双平行电导探针测试了强烈段塞流的持液率信号,并用互相关法对其进行了分析,得到了强烈段塞流的液塞速度、液塞长度随气、液相折算速度及下倾管倾角的变化规律。结果表明,当气相折算速度恒定时,随着液相折算速度的增大,液塞速度、液塞长度均线性增大;当液相折算速度恒定时,随着气相折算速度的增大,液塞速度线性增大,而液塞长度呈双曲型减小;当气、液相折算速度恒定时,随着下倾管倾角的增大,液塞速度、液塞长度都稍有增大。     

强烈段塞流特征参数试验研究

为了寻求强烈段塞流特征参数的变化规律，在高4m、内径50mm的管线中利用双平行电导探针测试了强烈段塞流的持液率信号，并用互相关法对其进行了分析，得到了强烈段塞流的液塞速度、液塞长度随气、液相折算速度及下倾管倾角的变化规律。结果表明，当气相折算速度恒定时，随着液相折算速度的增大，液塞速度、液塞长度均线性增大；当液相折算速度恒定时，随着气相折算速度的增大，液塞速度线性增大，而液塞长度呈双曲型减小；当气、液相折算速度恒定时，随着下倾管倾角的增大，液塞速度、液塞长度都稍有增大。     

气液两相流管道泄漏流场特性数值模拟分析

气液两相流管道声波泄漏检测技术在研究过程遇到流动参数无法准确测量难题,不能充分了解泄漏声源特性,阻碍了声波泄漏检测技术的发展.基于多相流体流动过程中声场和流场是密不可分的,且两者之间相互作用、相互影响.为补充实验研究和理论分析不足,利用ANSYS软件,建立了简化的管道泄漏几何模型,采用Fluent动网格技术和自定义函数编程实现气液两相流管道泄漏开启过程和完成的流场模拟.通过对比分析泄漏流场各参数变化分析得到泄漏声源特性,与理论相验证.进一步分析分层流、波浪流、段塞流三种流型下泄漏过程流场参数变化,得到各流型泄漏开启过程的声场变化,深入探讨气液两相流管道泄漏声源产生机理,为声波检测技术提供理论支持.     

倾斜管气液两相流型转化边界

为了得到更加准确的40D倾斜管气液两相流型转化界限,在内径为40 mm、长8 m的有机玻璃管内进行了角度为30°、45°、70°、90°的气液两相流动实验,实验记录了不同工况条件下的流型,将实验结果与较为全面的Barnea模型流型转换界限进行对比分析。结果表明:Barnea的流型图中泡状流-段塞流及段塞流-搅动流界限与实验结果吻合度低,不能满足精准预测流型的要求。为此,修正流型转换准则,提出较为准确的40 mm倾斜管的泡状流-段塞流及段塞流-搅动流的流型转化界限,并绘制修正后的流型图,以期为不同倾角下气液两相流型判别提供更为精确的判断依据。     

气液两相段塞流的PSD和PDF特征分析

在气液两相段塞流理论基础上,通过大量实验,利用LabVIEW平台进行数据采集和处理,并引进数字信号理论和统计学分析方法,得出了段塞流在不同时期、不同形态的概率密度函数(PDF)特征和功率谱密度函数(PSD)特征.段塞流的压力概率密度函数呈现单峰、双峰、多峰分布,尤以双峰分布最为普遍;段塞流的压差概率密度函数分布符合正态分布,呈现单峰分布;段塞流的功率谱在整个频率范围内随着频率增大而缓慢下降,频率范围内出现两个幅度比较明显的特征峰.利用PSD和PDF特征分析可以进行气液两相流的流型识别,为研究流型和管道系统设计提供帮助.     

气固两相栓塞流动的特性研究

在长距离气力试验台上,以压缩空气作为输送动力,分别对粉煤灰和水泥粉体进行输送试验,得出了气固两相流动特性参数的变化规律,分析输送过程的阻力特性.结果表明,随气体表观速度的增大,固体质量流率、固体速度及气固间滑移速度呈增长趋势,而压力损失呈下降趋势.考察了物料特性对两相流动特性及阻力特性的影响.利用力平衡原理建立了料栓平衡方程式,并结合试验数据得出了预测栓流运动阻力损失公式.     

绝热毛细管内制冷剂流动的非平衡性

建立了制冷剂在绝热毛细管内流动的两流体模型,模型中考虑了气液两相间的速度滑移和温度滑移.采用6种制冷剂的流量实验数据验证该模型,结果表明,90%的预测值与实验值偏差在±10%以内,并且能合理预测压力的沿程分布.应用该模型研究了制冷剂在绝热毛细管内自蒸发过程的非平衡特性.结果显示:气液两相间的速度滑移和温度滑移在整个两相区一直存在,但在绝大部分区域内,这种非平衡性并不显著;与不考虑非平衡性的平衡均相流模型相比,本文模型计算的毛细管流量平均偏高7.3%.     

上倾管道充气排液过程两相流动特性

在直径为40 mm、倾斜角为20°的管道内,以空气、水为试验介质,利用高速摄影仪和数据采集仪对上倾管道充气排液过程气液两相流动特性进行研究。建立跟随气泡和领先气泡速度比与气泡距离的关系,对比不同入口气体流速下管道内部压力、流量、气泡变化特性。结果表明,充气排液过程分为4个阶段,气体侵入和气液喷发阶段是气液混合物产生阶段,此阶段上倾管内流型以段塞流为主。管道底部压力和出口流量随气体流速的增大而增大,排空时间随气体流速的增大而减小。气体侵入过程气泡呈合并趋势,入口气速越大气泡越长,形状越不规则,领先气泡的速度和液体速度呈线性关系。Hout公式与本文中拟合公式最为接近。     

冶金中的双向气-固反应及其特性

提出了球团内部和气体与球团之间的气-固反应同时发生的双向气-固反应概念.找到了反映双向气-固反特性的两个特征参数并通过含碳球团在CO2中的还原实验进行了验证.在特征参数中,双向气-固反应临界速度用来表示使气体与球团之间的反应停顿所需的球团内部气-固反应的最低速度,可以测量和计算求得.在球团内排出的气体干扰下的双向气-固反应扩散系数,可以从临界速度和球团内气-固反应速度进行计算.     

脉动流化床气泡特性的研究

为了研究脉动流化床气泡特性,对流化床内气泡的特性进行了二维冷态模拟实验．利用摄像机捕捉流化床气固瞬间的流动状态,通过对图像进行分析,比较了脉动流化床和传统流化床内气泡尺寸,探讨了气泡平均上升速度和气泡尺寸受脉动参数和物料特性的影响．从实验可知,脉动气流可以抑制大气泡的形成,促进气固间的接触,且气泡的平均上升速度随脉动频率的增加有降低的趋势．