管道內(nèi)流場的概率分析及在顆粒侵蝕問題中的應(yīng)用.pdf

1、環(huán)狀流流型分析與管道內(nèi)顆粒侵蝕預(yù)測是海洋油氣開發(fā)流動保障技術(shù)極為關(guān)注的兩個問題。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。因此對以上兩個問題進(jìn)行深入研究具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價值。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，建立了針對管道內(nèi)湍流場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)湍流流場的隨機(jī)性變化規(guī)律，將某一流場指標(biāo)在時間與空間上的概率分布定義為該指標(biāo)的概率場。以湍流能量耗散理論與實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，求解出定常湍流場中渦旋尺度、渦旋壽命與渦旋速度的概率場。通過分析顆粒在不同尺度渦旋中的運動規(guī)律，求解出顆粒脈動速度與脈動距離的概率場。基于管道內(nèi)顆粒徑向脈動距離概率場與空間分布規(guī)律，跟蹤單個顆粒的近壁行為與返回過程。將顆粒的徑向運動看作馬爾科夫過程，推導(dǎo)出顆粒的軸向運動不受

3、撞壁過程影響，軸向運動速度可以無限接近于管道內(nèi)流體輸送速度。將概率場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)對各特征指標(biāo)的影響。通過跟蹤液相霧化過程，以渦旋特征尺度的概率場與能量轉(zhuǎn)化關(guān)系為基礎(chǔ)，計算特定尺度液滴的生成速率；通過求解液滴脈動距離的概率場與空間分布規(guī)律，跟蹤中央氣芯區(qū)液滴的返回過程，計算特定尺度

4、液滴的消亡速率；當(dāng)環(huán)狀流達(dá)到動態(tài)平衡后，任意尺度液滴的生成速率與消亡速率相等，通過待定系數(shù)法可以得到反映液滴生滅過程的關(guān)系式。之后結(jié)合氣液兩相的動量與質(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)。概率模型通過計算相應(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)，通過計算相關(guān)物理量的統(tǒng)計平均值計算環(huán)狀流的形態(tài)指標(biāo)。通過與實驗數(shù)據(jù)對比，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)，通過計算液滴與液滴之間、液滴與渦旋之間的相互作用，考察破碎融合過程對液滴粒徑分布的影響。此外，通過分析液膜厚度與霧化比率的制約關(guān)系，證明霧化比率不會無限制增加，液膜厚度不會為零；通過分析相間切應(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)；通過跟蹤液滴的生滅過程，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)對侵蝕結(jié)果的影響。長直管道內(nèi)的顆

6、粒侵蝕主要由湍流流場引發(fā)的顆粒脈動速度造成，通過分析顆粒在管道內(nèi)的空間分布與徑向脈動，并結(jié)合顆粒沖蝕公式計算單個顆粒對長直管道的侵蝕破壞，進(jìn)而求解大規(guī)模顆粒對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碰撞共同作用引起。通過建立氣相彎頭中顆粒碰撞點與入射點的對應(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，計算單個顆粒對氣相彎頭不同部位的侵蝕破壞，進(jìn)而求解大規(guī)模顆粒對氣相彎頭