水平油氣兩相流流型轉(zhuǎn)換及其相界面特性的研究.pdf

1、油氣混輸技術(shù)以其高效率、低成本、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)受到石油工業(yè)的廣泛重視。工程上的油氣混輸系統(tǒng)，由于受流量、介質(zhì)物性、管道形式以及傾斜角度等因素影響，截面含氣率發(fā)生變化，導(dǎo)致管內(nèi)出現(xiàn)各種流型。如何預(yù)測(cè)段塞流的出現(xiàn)，是油氣混輸工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是兩相流科學(xué)的重要理論問(wèn)題之一。隨著氣液兩相體積流量的變化，氣液界面呈現(xiàn)出不同的狀態(tài)和特性，特別是當(dāng)流型發(fā)生轉(zhuǎn)換時(shí)，氣液界面特性對(duì)于預(yù)測(cè)流型轉(zhuǎn)換的臨界條件有較大的影響。一方面，液相表面的波動(dòng)使得

2、氣液兩相間出現(xiàn)粗糙的界面，另一方面，從管道軸向方向觀察，液層不再是平整的表面，而是隨著氣相速度的增加發(fā)生彎曲變形。本文對(duì)水平油氣兩相流流型轉(zhuǎn)換及其相界面特性進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下： ⑴搭建了管徑25.4 mm油氣兩相流實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)水平油氣兩相流流型及其轉(zhuǎn)換特性，特別是層狀流向段塞流的轉(zhuǎn)換影響因素進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)中觀察到光滑分層流、波狀分層流、泡狀流、段塞流和環(huán)狀流。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了流型圖，并確定了流型轉(zhuǎn)換邊界。

3、⑵應(yīng)用一維波模型和段塞穩(wěn)定性模型，對(duì)油氣兩相流出現(xiàn)段塞流時(shí)的各相臨界表觀速度和臨界液層高度進(jìn)行了理論預(yù)測(cè)。計(jì)算結(jié)果表明，兩種模型分別適用于不同的流速區(qū)域，在較低的氣相流速下，一維波模型的預(yù)測(cè)結(jié)果比較理想，但是不適用于較高的氣相流速區(qū)域。利用段塞穩(wěn)定性模型可以較好地獲得高流速下分層流向段塞流的流型轉(zhuǎn)換條件。因此，本文結(jié)合這兩種模型對(duì)發(fā)生流型轉(zhuǎn)換時(shí)的臨界參數(shù)進(jìn)行了分析。 ⑶根據(jù)各種流型的相分布特征，使用簡(jiǎn)化的兩流體模型預(yù)測(cè)流型轉(zhuǎn)換以

4、及相應(yīng)的臨界參數(shù)。計(jì)算結(jié)果突出了摩擦因子本構(gòu)關(guān)系在兩流體模型中的重要性，本構(gòu)關(guān)系的準(zhǔn)確性影響流型轉(zhuǎn)換和理論模型的預(yù)測(cè)效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)氣液界面剪切應(yīng)力進(jìn)行了不確定度分析，結(jié)果表明氣壁剪切應(yīng)力預(yù)測(cè)的不確定度在整個(gè)界面剪切應(yīng)力不確定度中所占比重較小。以氣壁摩擦因子為基準(zhǔn)，通過(guò)動(dòng)量平衡法間接得到界面剪切應(yīng)力或界面摩擦因子。特別在流型轉(zhuǎn)換的預(yù)測(cè)中，動(dòng)量平衡法相對(duì)于一般經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式得到的結(jié)果更為準(zhǔn)確。 ⑷對(duì)圓管內(nèi)充分發(fā)展氣液波狀分層流進(jìn)

5、行了數(shù)值模擬。使用兩層湍流模型對(duì)穩(wěn)態(tài)軸向動(dòng)量方程進(jìn)行了數(shù)值求解。在雙極坐標(biāo)系內(nèi)，利用有限體積法對(duì)控制方程離散求解。借鑒單相管流的處理方法，將氣液界面視為粗糙平面，并引入等效砂礫粗糙度的概念來(lái)考慮氣液兩相的相互作用。對(duì)比分析表明，該計(jì)算方法不僅相對(duì)于一般光滑界面模型提高了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，而且證明了氣液界面摩擦本構(gòu)關(guān)系對(duì)于流型轉(zhuǎn)換和理論分析的重要性。 ⑸低持液率氣液兩相流常見(jiàn)于天然氣輸運(yùn)工程。在氣速較低區(qū)域，氣液界面粗糙度不均勻分布，