基于非完整周期信号的集输立管流型在线识别

为改善集输立管系统流型识别实时性,本文初步提出了一种基于非完整周期信号的识别方法。从严重段塞流过程中液塞生长、液塞流出、气液喷发、液塞回落的某一阶段或相邻两阶段选取较短时长的压力、压差波动信号序列,采用计算速度较快的方法进行特征提取。通过自组织神经网络融合局部流动特征,描述集输立管系统空间流动特性,实现流型识别。本文实验流速范围内,该方法对稳定流型与不稳定流型的平均识别率达到90%以上,初步验证了该方法的可行性。     

集输-S型立管内气液两相流流型的PSD特征

在集输-S型柔性立管系统中实验研究了空气-水两相流的流型,研究了不同流型下立管段压差波动信号的频域特征,分析了压差波动信号的功率谱特性(PSD)。结果表明,随着流型由严重段塞流向稳定流动的转变,立管压差波动信号的能量值逐渐降低,能量值的频率范围逐渐升高。不同流型的功率谱能量值及主峰所在频率存在很大差别,压差信号的功率谱密度函数可作为识别S型柔性立管系统中流型的有效手段。     

集输立管内气水两相流压差信号的特征分析

实验研究了水平段为400 m的长距离集输-立管系统内的空气-水两相流动,观察到四类流型:第一类严重段塞流、第二类严重段塞流、过渡流型以及稳定流动;本文着重对四类不同流型下立管内压差信号进行了详细的特征分析;得到了立管压差随时间的变化速率、频谱特性以及概率密度分布等规律。分析结果表明:四类流型的压差变化速率差别明显,过渡流型立管内压差变化速率最为剧烈,稳定流动压差变化速率最为频繁;严重段塞流流型、过渡流型及稳定流动都有明显主频,但稳定流动频率幅值明显小于其他三类流型;四类流型的概率密度分布有明显区别,一类严重段塞流与稳定流动呈明显的单峰结构,二类严重段塞流呈明显的双峰结构,过渡流型的压差分布范围最广。     

严重段塞流顶部节流作用下的流型及其转变

严重段塞流是常见于海洋石油工业集输-立管系统中的一种有害流型,而立管顶部阀门节流是抑制和消除严重段塞流的有效方法。本文实验研究了对严重段塞流采取节流操作所引起的流型及其转变特性,结果表明,随着阀门开度的减小,节流阀压降增大,背压升高,很大程度上抵消了下倾管内封闭气体的压力,从而抑制了下倾管内气体体积的膨胀,导致下倾管内的大量气体无法在短时间内快速连续地进入立管,而只能以大气泡或小气泡群的形式间歇进入立管,促进了弹状流和泡状流的形成。考虑了气液流速对节流阀压降的影响,建立了节流作用下S型立管内气液稳定流动边界,与实验数据吻合良好。     

长距离集输立管中严重段塞流频率特性研究

实验研究了1 MPa压力下长距离集输立管中严重段塞流特性,基于立管压差信号的功率谱密度(PSD)函数,研究了严重段塞流频率随气液流量、立管顶部节流的变化规律.实验结果表明,严重段塞流频率随气液流速的增大而增大,但随液相流速增大的幅度更大;将严重段塞流节流至稳态的过程中,在极小气液流速的SS1区域范围内,节流会使得严重段...     

蒸汽旋转射流汽-液界面速度特性研究

本文实验研究了蒸汽旋转射流汽-液界面速度特性,界面动态行为通过可视化玻璃视窗和高速相机捕捉并记录,应用数字图像处理技术获取定量的界面速度特征。获得了汽-液界面轴向瞬态速度和周期变化规律及其特性,随着蒸汽质量流速的降低,界面波动速度幅度和波动周期逐渐增大;稳定流型、不稳定汽泡振荡流型和不稳定间歇振荡流型顺次出现。统计分析了汽-液界面的轴向波动速度及其标准差,发现随着过冷水温度与波动速度的最大值及波动速度的峰度呈正相关,过冷水温升高加剧了界面不稳定性。界面径向平均波动速度与凝结流型高度相关,平均波动速度在亚音速区存在一个峰值。     

集输立管气液流量变化暂态过程实验研究

在大型集输立管多相流实验系统上进行了单相或两相流量变化实验研究,比较并分析了集输立管系统与简单水平管压力过升、过降现象的异同,研究了压力、压差的均值或幅值的暂态变化以及压力、压差达到稳态的顺次。结果表明集输立管系统流量变化的暂态响应受下倾管立管结构与入口流量改变的共同影响,在不同流速范围内两种影响因素呈不同的主次关系。实验结果还表明不同压差信号的响应可用于立管不稳定流型或不规则流型形成的预报。     

严重段塞流立管压差信号的周期特性分析

本文对集输-立管系统中低气液流速下的气液两相流动特性进行了研究,结合概率密度函数(PDF)和功率谱密度分布(PSD)方法获得了气液流速对严重段塞流周期特性的影响规律.其中第一类严重段塞流立管压差信号的PDF与PSD分布均呈明显的单峰结构,PDF峰值为液塞流出时间在整个段塞周期内的占比,PSD主峰频率的倒数为压差波动信号的周期.分析发现表观液速一定,表观气速的增加会导致整个段塞周期与液塞流出时间占比的迅速减小;而表观气速不变表观液速的增加只会减小段塞周期,不会对液塞流出时间的占比产生较大影响.     

空气水两相流压力波动现象非线性分析

确定性混沌理论能够深刻揭示气液两相流压力波动的非线性特征。本文研究了确定性混沌不变量－分维数、关联维数、Ｋｏｌｍｏｇｏｒｏｖ 熵在不同流型的变化以及折算液速的影响规律。实验结果表明压力波动的混沌特性与流型有关,分维数除了在高气速的环状流,在其它流型内都小于１．５,折算液速的大小强烈影响压力波动的混沌特性。     

水平-S型柔性立管系统中空气-水两相段塞流压力信号的特征分析

本文对水平-S型柔性立管中空气-水两相流进行了实验研究,着重对各种流型下的立管底部压力信号进行了特征分析,给出了立管底部压力的变化速率、振幅谱特性以及分布律规律.分析结果表明,从严重段塞流到稳态流型,立管底部压力变化速率变化更加剧烈且频繁;压力波动频率增大且周期性减弱,波动模式复杂;压力分布律峰值从较高压力区域移向较低...     

气举消除严重段塞流方法的实验研究

在模拟集输-上升管路系统的实验装置上,对消除严重段塞流现象的气举法进行了实验研究.实验结果表明,采用上升管下部注气的方法可以消除严重段塞流现象,实现管道出口气液的稳定流动,减小系统的最高压力,同时可以防止上游水平管内出现高频率的长液塞流动.分析发现,当注入气体流量增大到上升管中流型转变为块状流型时就可以消除严重段塞流现象,而气举法所需的最佳注入气量可以采用流型图来判断和计算.     

集输立管内流型分类及流型控制实验研究

根据归一化压差及出口相含率信号特征规律对集输-立管内所发生的流型进行了判别及分类,将流型划分为典型严重段塞流(SS1)、第二类严重段塞流(SS2)、第三类严重段塞流(SS3)、震荡流型(OSC)及稳定流型(STB),并对所观察到的典型严重段塞流(SS1)进行了手动节流、基于立管底部压力的PID控制及基于立管压差的PID控制调节。通过对比消除典型严重段塞流后立管底部压力、立管压差、入口流量波动及调节阀平均开度等参数对三种控制策略的控制效果进行评价得出结论:基于立管压差的PID控制调节效果最好,基于立管底部压力的PID自动控制次之,手动节流控制严重段塞流效果最差。     

集输-上升管路系统严重段塞流实验研究

在模拟集输上升管路系统的实验装置上,研究了多种倾斜管角度下严重段塞流发生规律,给出了流型图。实验发现,倾斜管水平时仍会出现严重段塞流。流动参数分析表明,严重段塞流具有显著的周期性,压力大幅度振荡,气液间歇流出上升管,出口气体速度可能超过入口数十倍,对分离器造成剧烈冲击。研究发现,严重段塞流周期随气液流量增大而减小,并且符合幂律定律。     

严重段塞流现象与立管顶部节流的瞬态模拟

在对严重段塞流现象实验研究的基础上,本文采用OLGA软件建立了实验系统的瞬态模型,对水平段长度为114 m,下倾段长度为133 m,立管高度为15.3 m,内径为50.8 mm的集输-立管系统中的严重段塞流现象进行了数值研究,给出了相应流型图,并将立管底部压力、立管顶部持液率、段塞周期等严重段塞流特性参数的模拟结果与实验结果进行了对比;本文还对控制严重段塞流现象的立管顶部节流法进行了模拟研究,并与实验结果进行了对比。研究发现,本文的瞬态模型能够较好地模拟出实验中发现的四类流型,但对严重段塞流详细特性参数的模拟不够准确,对顶部节流的模拟与实验结果相差较大,对顶部节流法消除严重段塞流的机理仍需进一步研究。     

海洋集输立管系统严重段塞流转变模型研究

结合严重段塞流的形成机理,研究了立管底部压力与集输管道中流体压力的变化规律,建立了过渡流型向严重段塞流、稳定流转变的准则模型。对比Lockhart-Martinelli参数法和Beggs-Brill公式法在气液两相流含气率的预报效果,并将流型转变模型的预报结果与实验结果对比,结果表明:采用Beggs-Brill公式计算气液两相流含气率时具较高的精度,同时本文流型转变预报模型的预报值与实验结果吻合很好,从而可以为海洋集输立管系统的优化设计提供理论依据。     

气液混输管线与立管系统严重段塞流数值研究

针对气液混输管线与立管系统严重段塞流问题, 采用严重段塞流形成条件一致的等效原则, 发展了一种将三维管道系统等效为二维管道系统的计算流体力学(CFD)数值模拟方法. 以文献中某下倾管与立管组合系统为对象, 结合其实验工况, 对严重段塞流气液流动过程进行了数值模拟, 获得了其周期、压力波动幅值及喷发时间等关键参数的变化规律, 数值模拟与文献所述实验结果符合. 在此基础上, 建立了立管入口气液折算速度、立管含气率以及立管出口平均速度的理论模型, 获得了这些关键参数随时间的变化规律, 并给出了确定立管内气液流型变化的理论方法, 理论结果与CFD数值模拟结果一致. 建立的CFD方法大幅缩减了严重段塞流数值模拟所需的时间和资源, 推导的理论模型揭示了严重段塞流特性参数之间的关联, 可以对严重段塞流所引发的危害进行快速评估及预测,具有一定的工程应用价值.     

顶部节流条件下S型柔性立管内油气水三相流流型转变实验研究

实验研究了集输-立管系统中,立管顶部节流条件下S型柔性立管内油气水三相流流型及其转变机理.发现,随着阀门开度的减小,S型柔性立管内依次会出现严重段塞流、类弹状流和类泡状流.背压的升高是促使流型发生转变的原因,升高的背压抵消了立管上游封闭气体的压力,从析抑制了立管内气相的运动速度.本文建立了节流过程中S型柔性立管内流型间...     

环路热虹吸管间歇沸腾可视化实验研究

针对两相环路热虹吸管中出现的间歇沸腾不稳定现象,分别以R134a、水和无水乙醇作为工质,通过流场可视化实验观测,探究了间歇沸腾出现的条件及其对环路传热特性的影响。实验结果表明,在中等充液率和中等加热热流密度条件下更容易发生间歇沸腾现象;流型的周期性变化引起环路内部压力和温度波动,同时会增加环路的均温性;流型变化和波动特性因工质不同而有所差别,水作为工质时,波动周期更长,流型变化及压力波动更复杂。     

小长径比垂直管气液两相流动特性分析

实验观察了小长径比垂直上流管内流型及特点,并对管入口处的压力波动特性和系统的压差波动特性进行了试验研究.结果表明:小长径比(L/D)垂直管内流型表现为泡状流、塞状流、乳沫状流、环状流和液束环状流;分别增加管线中的气量、液量,或者同时增加气液流量,均会造成垂直管入口处压力波动的均值和最大压力的增加;压力信号的概率密度(PDF)大部分呈双峰分布,也存在单峰和多峰分布;差压信号的概率密度符合正态分布,其功率谱密度同压力信号相比具有频率波动范围宽、幅值小的特点.     

水平管内油水两相流流型及其转换规律研究

本文对水平放置圆管内的油水液液两相流的流型及其转变特性进行了实验研究,定义了不同流动条件下油水两相流的流型,并由实验所得数据给出了水平圆管内油水液液两相流的流型图。进而讨论了各流型之间的转变机理,并考察了影响流型的因素。采用无量纲准则数以及半理论公式对流型转变进行了预测,结果与实验数据基本吻合。并与他人的实验数据也进行了比较。