水平突扩管内两相流流动特性研究
发布时间：2021-06-26 10:28
突扩结构在能源动力、化工、环保等领域有着广泛的应用,随着我国大部分陆上油田已进入开发中后期,注水开发使得地面集输系统和长距离管网中油水两相流普遍存在。由此,探究突扩管内两相流流动特性的问题对于合理选择油品输送方式、泵送效率等倍受重视,两相流流经突扩管以后的流动稳定性以及压降变化也十分关键。本文基于流体力学基本原理和流体运动基本控制方程,结合相关的油水两相流理论知识,运用CFD软件FLUENT对油-水两相流流经突扩段的结构参数（突扩比、细管长度、粗管长度）以及物性参数（含水率、粘度、雷诺数）等因素进行了数值模拟。结合相分布云图、压力分布图、流线图等直观手段发现:边界形状的突变导致油水两相流经过突扩截面后会产生流动的分离及再附现象,继而引发涡旋,不同突扩比对水平突扩流动的影响很大。当突扩比≤2时,突扩上下肩处的回流基本对称,流动也相对稳定,而当突扩比>2.5时,突扩上下肩处的流动出现了明显的不对称现象;不同突扩比对应的压力下降斜率差别较大;突扩段处细管长度和粗管长度对于流动基本没有影响,但会对摩阻系数造成较小的影响;当含水率较低时,两相流流型为“油包水”型,此时流动阻力较大,压力损失...
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
流经突扩处的平面展开图
第二章两相流流型划分及突扩介绍17将其化简计算jh：最终得出修正以后的gvvhj2221优化公式。体现了管内流动的混合物在流过突扩后，管内流动阻力的变化，它跟流动过程中流速的变化大小相等。2.4.2局部水头损失的计算管路当中的流体在从突扩前段流动至突扩后段的过程中，由于管路的横截面面积突然扩大，这时存在惯性的流体在管路当中的流动形态不会马上发生改变，由于管路当中流体的流速不可能跟突扩管截面面积一样立即增大，管路当中流体需要通过流动来调整以适应突扩截面的改变，在发生突扩后管路当中流体的流线变得逐渐平缓，流场将逐渐向突扩截面的管壁处延伸，此时在突扩双肩处出现了回流涡漩，涡漩流动的能量，主要来自于主流束的所产生的切应力。突扩上肩处的漩涡将沿着逆时针方向进行流动，突扩下肩处漩涡则沿着顺时针方向进行流动，此时管路当中流体的流动流动的能量发生了从主流束向旋涡的传递。在之前学者研究摩阻压降的前提下，杜秋平等学者[48]积极探索在进行大量研究分析的基础上，提出了“四点计算法”来求解突扩发生以后管路当中的水力压降大小，它可以简便快速的对突扩管内两相流流动过程中的压降及其水头损失进行求解。图2-3管路突扩的局部水头损失的求解如上图所示，先对其结构进行颜色划分，红色线段为几处不同的截面，截面之间存在三部分区域，中间划斜实线的区域为主题研究目标，管路当中的流体在突扩前段流经突扩截面以后流入到突扩后端，红色线段标记处要放四个压力测点。不同截面处，所满足的流体力学计算式如下：edbcaNM22（2-13）式中：
西安石油大学硕士学位论文261.自由流出时的边界条件在求解模型之前倘若不清楚出口处的相关特性，则可以选择使用outflow条件。它的一个很明显的特点是，不需要得到出口条件。然而下面的情况例外：（1）设置为压力进口条件时；（2）流体为可压速流体；（3）湍流的密度发生改变时。将边界条件设为outflow自由出流条件时，变量在出口处的梯度变为零，此时上游为充分发展管流段，此时可以将管路内的流体流速和流过过程中的温度看作不变的量。综合比较，本文选用自由出流边界条件作为两相流流经突扩结构的边界条件，边界示意图如下图所示：图3-2自由出流边界示意图[53]3.6求解算法简介在算法求解中，最为大家普遍运用的是SIMPLE算法。另外还有SIMPLEC、PISO等关于流场的迭代算法。其中，SIMPLEC算法是对SIMPLE算法的修正，两者之间在计算步骤上有所不同。SIMPLEC由于没有省略掉、xnbnbua项，因而得到的压力值P往往比较适中，此时将不再对压力值P执行欠松弛项处理。PISO算法是隐式算子压力分割算法，PISO算法跟两步式算法相比，最为直观的区别就是再进行了一次修正，PISO算法的二次再修正不仅使得模拟结果能满足流体的两个连续性方程，还让每个步长的进行收敛的速度也逐步加快。本文选用SIMPLE算法，下面将对其作以简要介绍。SIMPLE算法以交错网格为基础，交错网格离散不同网格上的速度跟压力，此时一些参量在正常的网格节点上进行存储及运算，另外一些经过储存和计算以后参量排列在后面的网格当中。SIMPLE的求解算法是法通常主要用来解决实际当中的不可压缩的流场，它
【参考文献】：
期刊论文
[1]管径大小对水平圆管油水两相流的影响[J]. 张亚辉,米智楠,吴仁智,郭平安. 流体传动与控制. 2017(02)
[2]基于Fluent的低雷诺数突扩圆管流场的数值模拟[J]. 许自顺,咸凯,余建发,张桂荣. 内燃机. 2016(01)
[3]圆管突然扩大与突然缩小的局部水头损失系数的研究[J]. 张沁. 科学技术与工程. 2014(28)
[4]水平突变管内油水两相流数值模拟[J]. 范开峰,王卫强,孙策,石海涛,万宇飞. 石油化工高等学校学报. 2014(02)
[5]突扩管流动形态的数值模拟[J]. 周再东,魏长柱,孙明艳,刘帅. 科学技术与工程. 2012(30)
[6]突变管段油水两相流的流动模拟[J]. 朱红钧,曹妙渝,陈小榆,曾涛. 油气储运. 2010(03)
[7]国外水平管内油水两相流压降模型研究进展[J]. 康万利,刘忠和,刘国权. 大庆石油学院学报. 2006(05)
[8]水平管中油水两相流动研究进展[J]. 徐孝轩,宫敬. 化工机械. 2006(01)
[9]后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟[J]. 王兵,张会强,虞建丰,王希麟,郭印诚,林文漪. 力学季刊. 2003(02)
[10]水平管内油水两相流流型及其转换规律研究[J]. 吴铁军,郭烈锦,刘文红,张西民. 工程热物理学报. 2002(04)
硕士论文
[1]基于CFD的管道局部阻力的数值模拟[D]. 赵月.东北石油大学 2011
[2]低雷诺数圆管突扩流场的数值模拟及阻力特性分析[D]. 张蓓.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3251172
【文章来源】：西安石油大学陕西省
【文章页数】：68 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
流经突扩处的平面展开图
第二章两相流流型划分及突扩介绍17将其化简计算jh：最终得出修正以后的gvvhj2221优化公式。体现了管内流动的混合物在流过突扩后，管内流动阻力的变化，它跟流动过程中流速的变化大小相等。2.4.2局部水头损失的计算管路当中的流体在从突扩前段流动至突扩后段的过程中，由于管路的横截面面积突然扩大，这时存在惯性的流体在管路当中的流动形态不会马上发生改变，由于管路当中流体的流速不可能跟突扩管截面面积一样立即增大，管路当中流体需要通过流动来调整以适应突扩截面的改变，在发生突扩后管路当中流体的流线变得逐渐平缓，流场将逐渐向突扩截面的管壁处延伸，此时在突扩双肩处出现了回流涡漩，涡漩流动的能量，主要来自于主流束的所产生的切应力。突扩上肩处的漩涡将沿着逆时针方向进行流动，突扩下肩处漩涡则沿着顺时针方向进行流动，此时管路当中流体的流动流动的能量发生了从主流束向旋涡的传递。在之前学者研究摩阻压降的前提下，杜秋平等学者[48]积极探索在进行大量研究分析的基础上，提出了“四点计算法”来求解突扩发生以后管路当中的水力压降大小，它可以简便快速的对突扩管内两相流流动过程中的压降及其水头损失进行求解。图2-3管路突扩的局部水头损失的求解如上图所示，先对其结构进行颜色划分，红色线段为几处不同的截面，截面之间存在三部分区域，中间划斜实线的区域为主题研究目标，管路当中的流体在突扩前段流经突扩截面以后流入到突扩后端，红色线段标记处要放四个压力测点。不同截面处，所满足的流体力学计算式如下：edbcaNM22（2-13）式中：
西安石油大学硕士学位论文261.自由流出时的边界条件在求解模型之前倘若不清楚出口处的相关特性，则可以选择使用outflow条件。它的一个很明显的特点是，不需要得到出口条件。然而下面的情况例外：（1）设置为压力进口条件时；（2）流体为可压速流体；（3）湍流的密度发生改变时。将边界条件设为outflow自由出流条件时，变量在出口处的梯度变为零，此时上游为充分发展管流段，此时可以将管路内的流体流速和流过过程中的温度看作不变的量。综合比较，本文选用自由出流边界条件作为两相流流经突扩结构的边界条件，边界示意图如下图所示：图3-2自由出流边界示意图[53]3.6求解算法简介在算法求解中，最为大家普遍运用的是SIMPLE算法。另外还有SIMPLEC、PISO等关于流场的迭代算法。其中，SIMPLEC算法是对SIMPLE算法的修正，两者之间在计算步骤上有所不同。SIMPLEC由于没有省略掉、xnbnbua项，因而得到的压力值P往往比较适中，此时将不再对压力值P执行欠松弛项处理。PISO算法是隐式算子压力分割算法，PISO算法跟两步式算法相比，最为直观的区别就是再进行了一次修正，PISO算法的二次再修正不仅使得模拟结果能满足流体的两个连续性方程，还让每个步长的进行收敛的速度也逐步加快。本文选用SIMPLE算法，下面将对其作以简要介绍。SIMPLE算法以交错网格为基础，交错网格离散不同网格上的速度跟压力，此时一些参量在正常的网格节点上进行存储及运算，另外一些经过储存和计算以后参量排列在后面的网格当中。SIMPLE的求解算法是法通常主要用来解决实际当中的不可压缩的流场，它
【参考文献】：
期刊论文
[1]管径大小对水平圆管油水两相流的影响[J]. 张亚辉,米智楠,吴仁智,郭平安. 流体传动与控制. 2017(02)
[2]基于Fluent的低雷诺数突扩圆管流场的数值模拟[J]. 许自顺,咸凯,余建发,张桂荣. 内燃机. 2016(01)
[3]圆管突然扩大与突然缩小的局部水头损失系数的研究[J]. 张沁. 科学技术与工程. 2014(28)
[4]水平突变管内油水两相流数值模拟[J]. 范开峰,王卫强,孙策,石海涛,万宇飞. 石油化工高等学校学报. 2014(02)
[5]突扩管流动形态的数值模拟[J]. 周再东,魏长柱,孙明艳,刘帅. 科学技术与工程. 2012(30)
[6]突变管段油水两相流的流动模拟[J]. 朱红钧,曹妙渝,陈小榆,曾涛. 油气储运. 2010(03)
[7]国外水平管内油水两相流压降模型研究进展[J]. 康万利,刘忠和,刘国权. 大庆石油学院学报. 2006(05)
[8]水平管中油水两相流动研究进展[J]. 徐孝轩,宫敬. 化工机械. 2006(01)
[9]后台阶分离流动中大涡结构演变的数值模拟[J]. 王兵,张会强,虞建丰,王希麟,郭印诚,林文漪. 力学季刊. 2003(02)
[10]水平管内油水两相流流型及其转换规律研究[J]. 吴铁军,郭烈锦,刘文红,张西民. 工程热物理学报. 2002(04)
硕士论文
[1]基于CFD的管道局部阻力的数值模拟[D]. 赵月.东北石油大学 2011
[2]低雷诺数圆管突扩流场的数值模拟及阻力特性分析[D]. 张蓓.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3251172
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