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。     

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。     

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。     

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.     

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...     

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...     

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。     

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。     

集输管路上升管系统严重段塞流实验和理论模拟

严重段塞流的实验研究表明,在气泡进入上升管底部到运动至出口的过程中,上升管中气泡头部以下流型为弹状流型;当气泡头部流出上升管后,上升管中的流型可看作块状流型。根据实验结果,本文提出了采用漂移流模型简化计算上升管中两相流动、上游管道中气体膨胀满足质量守恒,同时考虑上升管内液体动量守恒的严重段塞流计算模型。计算值与测量值比较表明,模型可以正确预测出气体膨胀流动过程,气体流动时间不受入口气液流量的影响。模型可以准确计算出严重段塞流周期、液塞长度和倾斜管中液柱最大长度等参数。     

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.     

螺旋管内气-液两相流截面含气率试验研究和理论模型

１前言关于螺旋管内气－液两相截面含气率的预报是一个重要的课题。即使只考虑平均截面含气率,也有气液两相间的滑移、各相流速和气相沿流通截面的不均匀分布等影响因素。查阅有关文献［１,２］,对螺旋管内气－液两相截面含气率的研究还很不够。因此,本文重点从二方面进行了研究。首先借助快速关闭球阀法,得出三根不同螺旋管平均截面含气率的试验测定结果,考查了螺旋升角和螺旋直径对其产生的影响;其次,按不同流型,依据“分相动量模型”和“漂移流率模型”、得出计算螺旋管内主要流型平均截面含气率的经验关系式。本文研究对象：三…     

下倾-立管系统中严重段塞流现象的周期特性

本文在室内的模拟实验系统上对严重段塞流的周期特性进行了实验研究.通过对实验现象和立管底部的压力波动信号分析后发现,严重段塞流的周期主要取决于液塞形成和液塞流出阶段所经历的时间,与气相表观流速,液相表观流速、下倾管倾角等实验参数有关.通过下倾管中的气体在积累阶段质量守恒方程,得到严重段塞流周期计算模型.模型的预测结果与实验测得的周期相比偏小.在较大的气、液相表观流速下,严重段塞流周期计算模型的预测结果比较准确.     

螺杆槽道内气液两相流流型及压降特性研究

本文应用高速摄像技术对螺杆槽道内气液两相流的结构特征进行可视化研究。分析了螺杆槽道内三个视角下的气液两相流型图的变化趋势,并将螺杆槽道的气液两相流型图与Taitel流型图的流型转换边界进行对比分析。在均相流一维的压降计算模型的基础上,本文通过实验数据拟合得到螺杆槽道全液相摩阻倍增系数,分析质量含气率及液体流速对螺杆槽道压降的影响。     

气液两相流中的声速研究

气液两相流在工业各领域中广泛存在,而声速是描述其声学性质的一个重要参数。本文从流体的体积弹性模量的定义出发,推导了气液两相流中的声速随含气率的变化关系式,即混合流体的Wood声速公式,将其声速的部分计算结果和其他作者的实验数据进行了比较,吻合良好。并通过COMSOL有限元模拟软件得到不同气体分布下圆管谐振腔最低阶模式的共振频率,间接数值模拟研究了含气率对声速的影响。模拟结果与理论计算结果一致,当气液两相流中含气率较低时,声速随含气率的增大急剧减小。本研究结果为确定声速与气液两相流中的含气率间的关系提供了参考依据。     

垂直上升管内气-液两相环状流截面含气率的数学模型

模型是建立在压力能量消耗率最小的原理上的,其基本原理是:在气-液两相流的流型中,环状流具有相当稳定的流动状态。根据流体力学的原理,任何系统都趋向于处在能量最小的稳定状态,所以在环状流的稳定流动状态下具有的能量应该最小。提出了计算截面含气率的压力能量消耗率模型,结果表明:模型计算结果与实验结果基本相吻合。     

倾斜下降管气液两相分层流截面含气率的计算与液层高度的预测

分层流是气液两相流中常见的流动型式，分层流中液层高度是计算的基本数据，由于界面波的存在，对液层的测量和预测都很困难．Ｖｌａｃｈｏｓ提出了预测气液两相分层流液层厚度的关系式，但这一关系式并不适用于倾斜下降管气液两相流．本文提出了计算倾斜下降管气液两相分层流截面含气率的理论模型，在这种模型下得到的截面含气率和实验结果符合良好．在大量实验的基础上，考虑了倾角、管径、气液各相折算速度的影响，根据实验数据提出了预测液层厚度的关系式。     

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.     

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。     

螺旋轴流泵内气液两相流型可视化研究

以一台自主研发的螺旋轴流泵为研究对象,以水和空气的混合物为介质,采用高速摄影技术,研究了不同工况下泵入口段及第一级叶轮内部的气液两相流型。研究发现:入口段气液两相流型为均匀的泡状流,气泡直径随入口含气率的增加而增大,随转速的增加而减小;随着入口含气率的逐渐增加,叶轮内分别出现了孤立的气泡流、泡状流、气囊状流及乳化状流;气囊出现在叶片压力面约2/3弦长的位置,且紧贴着叶轮轮毂;出现气囊状流时,泵的性能下降最为明显;出现乳化状流时,随着含气率的增加,增压性能下降趋于缓慢。