管道內(nèi)流場(chǎng)的概率分析及在顆粒侵蝕問(wèn)題中的應(yīng)用.pdf

1、環(huán)狀流流型分析與管道內(nèi)顆粒侵蝕預(yù)測(cè)是海洋油氣開(kāi)發(fā)流動(dòng)保障技術(shù)極為關(guān)注的兩個(gè)問(wèn)題。氣液環(huán)狀流的物相分布與力學(xué)特性直接影響油氣混輸管道的輸送效率與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；固體顆粒對(duì)管線中各部件的侵蝕破壞則影響管線的完整性，進(jìn)而妨礙油氣輸送的安全進(jìn)行。因此對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入研究具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。本文以概率分析為基礎(chǔ)，分別建立了適用于海洋油氣開(kāi)發(fā)的環(huán)狀流與顆粒侵蝕的機(jī)理模型。
　　首先，建立了針對(duì)管道內(nèi)湍流場(chǎng)全新的描述方法及其與之相適應(yīng)

2、的顆粒跟蹤方法。使用概率分析的方法研究管道內(nèi)湍流流場(chǎng)的隨機(jī)性變化規(guī)律，將某一流場(chǎng)指標(biāo)在時(shí)間與空間上的概率分布定義為該指標(biāo)的概率場(chǎng)。以湍流能量耗散理論與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求解出定常湍流場(chǎng)中渦旋尺度、渦旋壽命與渦旋速度的概率場(chǎng)。通過(guò)分析顆粒在不同尺度渦旋中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求解出顆粒脈動(dòng)速度與脈動(dòng)距離的概率場(chǎng)?；诠艿纼?nèi)顆粒徑向脈動(dòng)距離概率場(chǎng)與空間分布規(guī)律，跟蹤單個(gè)顆粒的近壁行為與返回過(guò)程。將顆粒的徑向運(yùn)動(dòng)看作馬爾科夫過(guò)程，推導(dǎo)出顆粒的軸向運(yùn)動(dòng)不受

3、撞壁過(guò)程影響，軸向運(yùn)動(dòng)速度可以無(wú)限接近于管道內(nèi)流體輸送速度。將概率場(chǎng)與顆粒跟蹤方法施用于環(huán)狀流流型分析與顆粒侵蝕估算，即可建立適用于這兩種工程問(wèn)題的概率模型。
　　其次，以概率分析為基礎(chǔ)建立了管道內(nèi)氣液環(huán)狀流的概率模型，并考察不同參數(shù)對(duì)各特征指標(biāo)的影響。通過(guò)跟蹤液相霧化過(guò)程，以渦旋特征尺度的概率場(chǎng)與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為基礎(chǔ)，計(jì)算特定尺度液滴的生成速率；通過(guò)求解液滴脈動(dòng)距離的概率場(chǎng)與空間分布規(guī)律，跟蹤中央氣芯區(qū)液滴的返回過(guò)程，計(jì)算特定尺度

4、液滴的消亡速率；當(dāng)環(huán)狀流達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡后，任意尺度液滴的生成速率與消亡速率相等，通過(guò)待定系數(shù)法可以得到反映液滴生滅過(guò)程的關(guān)系式。之后結(jié)合氣液兩相的動(dòng)量與質(zhì)量守恒方程，建立氣液環(huán)狀流方程組求解該流型各特征指標(biāo)。概率模型通過(guò)計(jì)算相應(yīng)隨機(jī)事件的發(fā)生概率求解環(huán)狀流的比率性指標(biāo)，通過(guò)計(jì)算相關(guān)物理量的統(tǒng)計(jì)平均值計(jì)算環(huán)狀流的形態(tài)指標(biāo)。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，環(huán)狀流概率模型在大多數(shù)情況下可以較為精確地預(yù)測(cè)液相霧化比率、液相霧化速率、液膜厚度、相間切應(yīng)力與索特

5、爾平均粒徑。以概率分析為基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算液滴與液滴之間、液滴與渦旋之間的相互作用，考察破碎融合過(guò)程對(duì)液滴粒徑分布的影響。此外，通過(guò)分析液膜厚度與霧化比率的制約關(guān)系，證明霧化比率不會(huì)無(wú)限制增加，液膜厚度不會(huì)為零；通過(guò)分析相間切應(yīng)力形成的微觀機(jī)理，證明切應(yīng)力系數(shù)為液膜厚度的一次函數(shù)；通過(guò)跟蹤液滴的生滅過(guò)程，證明液滴粒徑分布為準(zhǔn)伽馬分布。
　　最后，以概率分析為基礎(chǔ)建立管道內(nèi)顆粒侵蝕的概率模型，并考察各參數(shù)對(duì)侵蝕結(jié)果的影響。長(zhǎng)直管道內(nèi)的顆

6、粒侵蝕主要由湍流流場(chǎng)引發(fā)的顆粒脈動(dòng)速度造成，通過(guò)分析顆粒在管道內(nèi)的空間分布與徑向脈動(dòng)，并結(jié)合顆粒沖蝕公式計(jì)算單個(gè)顆粒對(duì)長(zhǎng)直管道的侵蝕破壞，進(jìn)而求解大規(guī)模顆粒對(duì)管道的整體損傷效果。氣相彎頭的顆粒侵蝕主要由顆粒直接碰撞造成，液相彎頭中的顆粒侵蝕則由顆粒直接碰撞與顆粒脈動(dòng)碰撞共同作用引起。通過(guò)建立氣相彎頭中顆粒碰撞點(diǎn)與入射點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合顆粒在管道內(nèi)的分布規(guī)律與沖蝕公式，計(jì)算單個(gè)顆粒對(duì)氣相彎頭不同部位的侵蝕破壞，進(jìn)而求解大規(guī)模顆粒對(duì)氣相彎頭