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.     

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,节流会使得严重段塞流频率增大;而在较大气液流速下的SS1和SS2范围内,节流的过程中严重段塞流的频率几乎不变。     

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.     

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。     

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.     

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.     

柔性上升管中严重段塞流的特性

随着海洋油气开采不断向更深的水域发展,深水油气开采通常采用浮式生产系统。柔性上升管的长度和巨大的静水压头将引起严重段塞流,并会造成多种危害。本文对柔性上升管中严重段塞流的流动特性进行了深入的研究。结果表明:柔性上升管中严重段塞流的周期可划分为与竖直上升管类似的4个阶段:液塞形成、液塞流出、液气喷发和液体回流,柔性上升管中严重段塞流的发生范围比竖直上升管系统稍有缩小,柔性上升管系统的布置方式具有限制严重段塞流产生的作用。严重段塞流压力波动幅度的最大值出现在严重段塞流流型区域Ⅰ和过渡区域Ⅱ的转变边界上。     

集输管路上升管系统严重段塞流液塞特征

在海洋油气集输-上升管路系统模拟实验装置上研究了严重段塞流的液塞运动特征.实验结果表明,液塞首先以较低速度流出上升管,该速度约等于管道入口气液混合速度;然后液塞以较高速度流出,速度值主要受管路系统的结构尺寸及物性影响,该阶段的液塞长度不超过上升管高度.本文还分析了液塞长度、各阶段速度与入口气液流量的关系,给出了拟合关联式.     

严重段塞流压力及持液率周期特性模拟研究

本文采用简化严重段塞流节流模型数值模拟了不同出口阀门开度下管道入口压力和出口持液率等特性参数的周期规律。研究结果表明,在一定的阀门开度下,严重段塞流具有明显的周期性,压力波动较为明显,气液间歇流出。当管道出口阀门开度减小到一定程度后,管道入口压力波动减小,周期降低,管道出口气液由间歇流转为混合流动。本文数值模拟结果与实验结果进行了比较,管道入口压力峰值、压力波动、周期等参数吻合较好。     

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...     

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。     

COUNTERCURRENT FLOODING IN VERTICAL-TO-INCLINED PIPES

Countercurrent flooding data have been obtained using air and water for vertical-to-downwardly inclined pipes containing elbows of varying angles. Experiments were performed with six different test sections, all having an inner diameter of 51 mm and a 1-m-tong vertical tube connected to an inclined or horizontal tube

The flooding data for 112.5° and 135° elbow angles were almost identical and showed that these geometries required the largest gas flow rates for flooding among all the geometries tested. The flooding gas velocities for the 157.5° elbow were slightly less than those of the 112.5° and 135° elbows but greater than those of the vertical pipe without any elbow and vertical-to-horizontal pipes at low to moderate liquid flow rates

In all vertical-to-inclined pipes, flooding was initiated in the inclined section at about 15 to 50 cm downstream of the elbow. Due to the countercurrent flow of gas, the liquid stream just downstream of the elbow became highly agitated and a frothy mixture was carried upstream by gas at flooding. At moderate to high liquid flow rates, the liquid was deflected off at the elbow to form a turbulent, jetlike stream that partially broke up into droplets, These droplets were, at the onset of flooding, entrained and carried over by the gas stream

Comparison of the data with the slugging correlation at low liquid flow rates and with the liquid entrainment/carryover model at high liquid flow rates suggested that these mechanisms are likely responsible for flooding in vertical-to-inclined pipes.     

竖直槽道中稠密气粒两相流动的瞬态结构

本文采用流动显示方法对竖直槽道中稠密气粒两相流动的瞬态结构进行了研究,发现当表观气速高于管道流态化的最小临界速度但低于节涌状态向湍动状态过渡的临界速度时,槽道中没有明显的气泡出现,而是形成一条穿过颗粒密相区的气流通道。当表观气速较低时,气流通道始终偏向槽道一侧。表现气速较高时,气流通道在槽道两侧摆动。在湍动状态下,槽道中的流态和管道中的流态相似。在快速流态化情况下,当颗粒循环量在一定范围时,槽道壁面附近会出现准静止的大尺度颗粒团。     

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。     

垂直下降管内油气水三相流摩擦压力降的实验研究

本文对垂直下降钢管中的油气水三相流摩擦压力降进行了实验研究,得出了三相流摩擦压力降与折算液速、折算气速和含液率之间的关系曲线,并对各影响因素进行了讨论。