球阀转动时对油水环状流稳定性的影响机制研究

发布时间：2020-09-22 17:39

　　世界上稠油地质储量丰富,在勘探开采工艺的高速发展下,稠油的输送技术也备受研究。稠油是一种粘度高,流动性差的油品,单相输送必然造成过大的流动压降、较低的输送效率等问题。针对此问题,研究人员提出了一种以水环作为润滑层来隔离油液与管道之间接触摩擦,以实现低耗高效的油水环状流稠油输送方法。然而,水环的稳定性是该输送技术的难点,也是稠油稳定输送的重要前提。当受到阀门启闭、管路振动等诸多管输现象的影响下,油水环状流容易遭到扰动,并出现流型波动甚至破坏等有害现象。因此,本课题着重进行转动球阀过程中的油水环状流流场特性的研究,在已有油水环状流研究成果基础上,通过理论推导、现场实验、数值模拟三种分析手段探索转动球阀时对油水环状流稳定性的影响机理。具体将围绕以下几个方面展开研究:基于斜管偏心油水环状流的理论研究成果,推导出在阀门开度为50%(转动角度45°)下油水两相的速度分布,压降梯度及剪切应力的精确解。搭建油水环状流实验平台并进行性能实验,对获得的实验数据与模拟数据进行对比,在两者吻合良好的情况下说明数值计算应用到本课题模型的可行性。结合滑移网格模型及CLSVOF多相流模型对开阀及关阀过程中油水环状流进行动态模拟,分析阀门转速、水环厚度对油水环状流的流场压力、相体积分数、流速、射流等流场特性影响规律。模拟结果表明,较大开阀速度能加速油水环状流型恢复,但流场流速、管内压力波动也随之增大,环状流稳定性较差;水环厚度为1mm和1.5mm的粘壁现象显著,较薄水环所表现的较低的含水率将削弱油水两相流从分离破碎形态向环状流流型的重构;在关阀开度小于30%时,油液能维持被水环包裹实现环状流流动,随着开度逐渐增加,油水环状流遭到失稳破坏。结合CLSVOF多相流模型及流固耦合模型对球阀-管道-油水环状流进行模拟分析,揭示有流固耦合作用下的油水环状流的流场特性规律。模拟结果表明有流固耦合模型的油水环状流流场特性规律与非流固耦合模型的油水环状流流场特性规律基本趋于一致。此外,受环状流流场作用的管壁位移及剪切应力变化甚小。
【学位单位】：广州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TE345
【部分图文】：

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工程应用中的球阀主要是由球体、阀座、阀杆等组成（如图 2-1 所不同的阀门开度，其阀芯所形成的流通截面是不一样的，其流道截面大致榄型结构：中间宽，两端尖。较小的阀门开度会形成狭小的流通截面，油水流通过该流通截面，流型会遭到严重破环，产生复杂的非稳态流场[4]。在较阀门开度，流通截面会呈倍数增大，油水环状流型逐步形成。由于油水两相经相对开度为 40%~50%的球阀下可形成水层包裹油流的重要流型，但此开阀下的油流并非是沿轴线对称，而是表现出严重的偏心，即 Eccentric Corlar flow（ECAF）。因此，可以认为阀门的流通截面是造成油水环状流失稳的所在。基于阀门流通截面的复杂多变性，本文仅推导出阀门相对开度 50启角度为 45°）时的油水环状流的数学模型。在通过对该数学模型的理解和，即可获得在不同阀门开度（大于 50%）下，油水偏心环状流的数学模型及解。

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广州大学硕士学位论文假定油水两相连续流经阀芯内部，且核心油相偏离轴心流动，水层紧贴阀芯在内壁进行流动，建立基于二维直角坐标系的两相流型分布示意图，如图 2-2 所示。核心油液视为可压缩流体，环状水流视为不可压缩流体。由于球阀阀芯内部结构为圆柱形，而仅流道出流截面为椭圆面，因此可用极坐标来描述油水两相区域，对以上二维直角坐标系问题转化为关于极坐标问题考虑，如图2-3所示。

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对以上二维直角坐标系问题转化为关于极坐标问题考虑，如图2-3所示。图 2-2 油水环状流二维直角坐标示意图图 2-3 油水环状流极坐标示意图Fig.2-2 Two-dimensional Cartesian of CAF Fig.2-3 Polar coordinates of CAF其中，定义核心油相与环状水相接触面为C ，定义环状水相与管道内壁接触面为W 。显然核心油相和环状水相的变化区间可表示为：环状水相： ;　0 ２ wc核心油相： ;　0 ２ c其中，CR 、 R 分别表示油核半径、管道内径，Ce 表示油流中心偏离阀芯轴线的距离。对以上物理量进行无量纲化： cccccReRe~~2~~1cosh221 ;RRRcc ~; cccweRe~2~~1cosh221 ;ccReE~1~ ;Reecc ~; （2-1）其中，界面、应满足以下条件：

【参考文献】