下倾管-垂直立管系统气液两相严重段塞流数值模拟

发布时间：2020-11-19 02:01

　　 在开发海洋石油和天然气资源时,常采用多相混输管道运输油气,而海底混输管线包括铺设于海床的下倾管和连接海上平台的立管。气液两相在这种形式的管道中流动不稳定,易形成一种管道内液塞达到数倍立管高度的有害流型,即严重段塞流现象,从而使管道内压力和流量等特性参数大幅度波动,可能对下游设备造成冲击,损坏管道和设备。因此,对严重段塞流的深入研究变得越发重要,具有实际的工程价值。本文针对海洋开采常用的下倾管-垂直立管系统,通过建立数学预测模型和采用二维CFD模拟方法,对管道系统气液两相严重段塞流的流动特性及特性参数进行研究,主要工作如下。(1)基于管道系统中流体的连续性方程和动量方程建立严重段塞流的一维瞬态数学预测模型,通过对数学模型的求解,可以得到液塞流动速度、液塞长度、压力、周期、含气率等特性参数,从而能及时有效的评价严重段塞流的危害。(2)以下倾管-垂直立管系统为研究对象,利用Fluent软件对气液两相严重段塞流流动过程进行了数值模拟,揭示了几种类型的严重段塞流的流动过程,获得了严重段塞流的压力、速度、流量、周期、含气率等特性参数,数值模拟结果与文献所述实验结果吻合良好。(3)分析了SSⅠ型、SSⅡ型、SSⅢ型、稳定流动四个类型的流动过程的区别,以及严重段塞流的特征参数的变化特性。结果表明,压力、速度等参数的变化都具有周期性,在各个流动阶段都具有一定的变化趋势,且特性参数变化与气体折算速度有一定的关系。(4)利用Fluent软件模拟了当下倾管角度为0时,即为水平管时,管道系统中的气液流动,验证了管道系统为水平管-垂直立管系统时,管道内没有严重段塞流现象出现。(5)采用二维CFD数值模拟方法,分析了气液物性参数对严重段塞流特性参数变化的影响,选取水和煤油作为液相流体介质,空气和甲烷作为气相介质进行Fluent软件模拟,发现液相物性参数对严重段塞流的流动特征和特性参数的影响较大,而气相物性参数的影响较小。
【学位单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TE832
【部分图文】：

c1~6为系数，见表 2-1；β 为下倾管倾斜角度，取负值；Nl为液相粘度准数，Nvg、Nvl分别为气、液相表观速度准数，vsg、vsl分别为下倾管入口处气、液相折算速度，m/s；ρl为液相密度，kg/m3；σ 为表面张力，N/m；μl为液相的粘度，Pa s。表 2-1 Mukherjee-Brill 持液率公式回归系数流动方向 流型 c1c2c3c4c5c6上坡和水平 全部 -0.3801 0.1299 -0.1198 2.3432 0.4757 0.2887下坡分层流 -1.3303 4.8081 4.1716 56.2623 0.0800 0.5049其它 -0.5166 0.7898 0.5516 15.5192 0.3718 0.3940（2）下倾管分层流流动模型气液两相以分层流形式在下倾管中流动，具有明显的相界面，为了简化计算，将波动界面视为平面，如图 2-1 所示。

L 为下倾管的长度；ul为分层流液体流动的速度， lludtdu= ；f 为范宁用 Blasuis 公式计算，( )nfCRe = ，当 2000mRe <时，C =16,n =1；当 mRe >46， n = 0.2；Taitel Y 认为气液界面与气壁界面摩擦因子相同[10]，即if =和管道间作用应力；iτ为气液两相之间作用应力；ρg为气相密度，kg/m3倾管的液体质量流量，kg/s。略下倾管液体流动惯性力，由式（2-5）至式（2-10）可求出，分层流液体的速度 ul，以及流体从下倾管入口流动到立管底部的时间 t0等参数。 液塞形成阶段液塞形成阶段，下倾管液体流至立管底部弯头处由于重力作用积聚从而阻管。当气液继续流入，下倾管和立管中的液塞同时双向增长，立管中的液升，产生的静水压力增加，流动过程如图 2-2 所示。

式（2-15）-式（2-20）联立迭代求解，可得到 rv、 pv、 rL、pL、gP数。算初始条件：0prL= L=， gsP =P，即液塞正好处于立管底部弯头部口刚被液塞封住。算终止条件：立管中液塞头部上升至顶部出口处，即L =Hr。液塞出流阶段液塞出流阶段，下倾管中的液塞在气体推动下逐渐从立管顶部流出，这立管中只存在液体，如图 2-3 所示。
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本文编号：2889530