基于群体平衡理论的管道内水合物颗粒聚集过程模拟

基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型,重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚集效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,建立了三维几何模型,利用FLUENT 14.5软件对群体平衡模型和固液两相流模型进行联合求解,模拟不同条件下水合物颗粒的聚集过程,并将模拟结果与水合物颗粒生长模型的计算结果进行了对比。模拟结果表明,数值模型能较好地模拟水合物颗粒在管道内流动时的压降变化规律以及粒径分布情况。低流速下管道内水合物颗粒的聚集过程可大致分为缓慢增长、快速增长、破碎主导和动态平衡四个阶段。高流速下管道内水合物颗粒的聚集过程则只包括快速增长和动态平衡两个阶段。在管内流动条件下,相较于颗粒生长,水合物颗粒间的聚集更容易导致颗粒粒径增大、是流动过程中水合物颗粒粒径增大的主要原因。     

基于群体平衡理论的管内水合物沉积特性数值模拟

引入基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型,建立了三维几何模型,利用Fluent软件对群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,模拟了流速、水合物颗粒粒径及体积分数对管内水合物颗粒沉积特性的影响。模拟结果表明,着床沉积发生时,管道横截面处的水合物分布和粒径分布有较好的一致性。流速增加对管内水合物颗粒粒径大小的影响并不具有明显的规律性,但会减小管道横截面上水合物的浓度梯度,使水合物分布渐趋均匀,从而减弱水合物的着床沉积。管内水合物颗粒的初始粒径越大、体积分数越高,水合物颗粒的平均和最大粒径的模拟值越大,水合物颗粒的起始沉积位置距管道入口也越近,管内水合物的沉积越严重。模拟结果与相关实验结果吻合良好,可为深水流动安全保障技术的发展提供基础支持。     

管道流动体系中水合物颗粒粒径分布特性数值模拟

研究管道内水合物颗粒的粒径分布特性对深水流动安全保障具有十分重要的意义。为模拟管道流动体系中水合物颗粒的粒径分布特性,本文首先建立了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地刻画管内水合物颗粒的流动行为。随后,根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用FLUENT 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟水合物颗粒初始粒径分布、水合物体积分数、管内流速和水合物颗粒初始粒径大小对管内水合物颗粒粒径分布类型及分布规律的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物防治技术的发展提供技术支持。     

天然气水合物储运技术中水合物反应器的研究进展

可观的储气率与自保效应的存在使得天然气水合物能作为一种天然气储运的方式,并且在与其他如液化天然气、压缩天然气储运方式比较时有着自己独到的优势。但由于针对水合物储运的研究起步较晚,利用水合物储运天然气的技术尚未成熟。尤其是在水合物反应器的研究上,生成水合物的速率较低,无法达到工业生产所需要的水平。本文通过调研国内外文献与专利等资料,介绍了国内外天然气水合物储运技术发展状况,简述了水合物生成强化的物理化学手段与机械手段,详述了搅拌式等传统天然气水合物反应器与管式、超重力式等新型天然气水合物反应器的结构与工作原理。根据现有水合物反应器的特点与存在的问题,对水合物反应器的研究方向提出建议：未来应当加快对喷淋式、超重力式与流化床式反应器的放大研究,加快针对不同物理强化手段与机械强化手段的协同作用研究,建立起以天然气储运为目的的水合物反应器评价体系。     

油气管道水合物堵塞机理研究进展

国内外对油气管道水合物堵塞机理的实验研究虽然较多,但一直缺少系统的总结归纳。本文根据水合物堵塞实验开展条件的不同,首先将油气管输体系分为油基体系、水基体系（纯水体系及水主导体系）、气主导体系和部分分散体系。文章分析表明,管道水合物堵塞机理众多,具体包括水合物的聚集和沉积、水合物大量聚集阻塞管道流通截面及油水相分离等。其中,水合物的聚集和沉积是油基体系水合物堵塞的主要机理,水合物颗粒的着床沉积是纯水体系水合物堵塞的主要机理,水合物大量聚集阻塞管道流通截面则是气主导体系水合物堵塞的主要机理。水主导体系和部分分散体系的水合物堵塞机理,目前尚无统一定论,有待进一步深入研究。文章指出对环状流液滴分布、油水分散状态、乳状液稳定性及未乳化自由水层等的量化研究则是未来水合物堵塞机理的研究重点。     

立管内水合物浆液流动特性及正交实验研究

通过FLUENT数值模拟技术对CO_2及天然气水合物浆液在立管内的流动特性进行了模拟,研究了水合物浆液平均流速、水合物体积分数、水合物颗粒粒径及连续相黏度对立管出口截面水合物浓度分布、速度分布及立管段压降的影响。通过正交实验确定了立管中CO_2水合物和天然气水合物阻力特性各影响因素的顺序均为:连续相黏度水合物颗粒的体积分数水合物颗粒的直径水合物浆液的平均流速,并在此基础上确定了各影响因素的最优组合,即平均流速2.5 m/s、水合物体积分数10%、连续相黏度1.79 m Pa·s、水合物颗粒直径50μm。研究结果可为深水流动安全保障技术的发展提供技术支持。     

油水体系内水合物的生成:温度、压力和搅拌速率影响

水合物在管道内的生成对流动安全保障构成了极大威胁。为研究水合物在油水体系内的生成特性,本文以天然气、柴油、水为实验介质,在高压可视反应釜内开展了一系列不同温度、压力和搅拌速率的水合物生成实验。根据测试实验中温度、压力的变化趋势,首先分析了两种不同实验步骤下水合物的生成过程。然后,基于从反应釜可视窗处观察到的实验现象,研究了温度、压力和搅拌速率对水合物生成和分布位置、水合物生成形态及水合物形态演化过程的影响。实验中,可以观察到水合物的聚集、沉积和壁面膜生长现象。同时,实验还研究了温度、压力和搅拌转速对诱导时间、壁面水合物膜生长速率及气体消耗速率等水合物生成动力学参数的影响。本文研究成果可为油气管道水合物防治技术的发展提供理论支持。     

基于群体平衡理论的水合物聚集动力学模型

水合物颗粒间的聚集是导致油气输送管道堵塞的重要原因,建立聚集模型能更好地进行水合物聚集的防治。首先,假定管道中水合物颗粒粒径连续分布并忽略对流扩散的影响,建立了以群体平衡模型为基本框架的水合物聚集动力学模型。重点考虑水合物的聚集和破碎,该模型的核心主要包括聚集核和破碎核两部分。其中,聚集核包括水合物颗粒间的碰撞频率和碰撞后的聚集效率,破碎核包括水合物颗粒的破碎频率和破碎后子颗粒的粒径分布函数。接着,以前人研究为基础并结合水合物颗粒的自身特性,对模型聚集核和破碎核的计算方法进行了选取和改进。最后,采用计算流体力学方法对模型进行了求解并将求解结果与相关实验数据进行了对比分析。该模型可为管道流动安全保障提供技术支持。     

基于颗粒堆积理论的管壁水合物沉积层力学特性研究

管壁水合物沉积层的稳定性与管壁水合物沉积层的力学特性密切相关,研究管壁水合物沉积层的力学特性对深水流动安全保障具有重要意义。为研究管壁水合物沉积层的力学特性,假设沉积层内所有水合物均为大小相同的球形颗粒,且沉积层是由多层水合物颗粒相互堆积而成。根据水合物颗粒堆积方式的不同,将管壁水合物沉积层分为简单立方堆积型、六方堆积型、复六方堆积型、四面体堆积型、角锥堆积型和随意堆积型6类。不同类型的水合物沉积层对应有不同的空隙率和层间受力特性,以此为基础,分别计算分析了各类水合物沉积层的压缩波速、剪切波速、泊松比、弹性模量、抗拉强度,并依据摩尔--库仑强度准则给出了各类管壁水合物沉积层的抗剪强度。同时,计算分析了退火作用对管壁水合物沉积层抗拉强度和抗剪强度的影响。本文研究成果可为油气管道水合物防治技术的发展提供理论支持。     

基于群体平衡理论的竖直管内水合物浆液流动特性模拟

基于海洋非成岩天然气水合物(简称水合物)颗粒聚集动力学的群体平衡模型,对水合物浆液在竖直管内的流动特性进行了模拟研究,重点模拟研究了水合物浆液体积分数、平均流速对竖直管内水合物浆液流动特性的影响;根据模拟结果,研究了不同工况下流动压降、浓度分布以及水合物粒径分布等流动特性,为水合物开采中举升管内水合物浆液流动特性提供借鉴。实验结果表明,所建模型可较好地模拟水合物浆液在竖直管内的流动状态;较低的浓度和较高的流速有利于保证水合物浆液地竖直管内的流动安全,但不利于输送的经济性。