天然气集输管道弯头冲蚀磨损研究

发布时间：2017-09-14 01:08

  本文关键词：天然气集输管道弯头冲蚀磨损研究

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【摘要】：天然气在集输过程中,携带的微小固体颗粒和液态水会在弯头处产生冲蚀磨损,进而引发管道的失效。因此,研究天然气集输管道弯头的冲蚀磨损机理和磨损分布特征,提出有效减缓磨损的控制方案,是各气田集输管道设计和生产过程中急需解决的问题。弯头冲蚀磨损研究的关键点是得到颗粒在弯头壁面发生碰撞时的相关参数,由于天然气集输管道弯头内流场复杂,是一个典型的气液固多相流问题,这对弯头冲蚀磨损问题的求解带来极大的困难。本文基于计算流体力学方法,以求解弯头冲蚀磨损特征参数为目标,运用Fluent软件进行二次开发,采用数值模拟的方法,研究了天然气集输管道弯头内气液固多相流场、工况运行参数、物性条件对弯头内颗粒分布特征和磨损特征的影响。根据冲蚀磨损基本理论,利用图像比较和相关性分析的方法,分别对基于磨损机理和实验数据的磨损速率预测方程进行了比较,提出以攻角为分界条件的磨损速率双方程模型,并利用C语言编制成用户自定义函数编译连接到Fluent求解器内作为弯头冲蚀磨损速率的计算模块。通过HYSYS软件计算得到了天然气物性参数,并使用Goiver流型图、Mandhane流型图和OLGA软件判断气液两相流流型,建立了简化的气液固多相流入口边界条件。最后根据以上物性参数、边界条件和磨损速率双方程模型分别建立了干气输送条件和湿气输送条件下的天然气集输管道弯头冲蚀磨损模型。针对弯头内气液固多相流动特征,建立了天然气集输管道弯头内气液固多相流模型,气固(液固)两相流采用离散相模型,而气液两相流采用VOF模型,将两个模型耦合后进行多相流的模拟。基于上述天然气集输管道冲蚀磨损模型和弯头内气液固多相流模型,本论文采用有限体积法对流体控制方程和附加方程组进行空间、时间离散,使用PISO算法进行流场压力-速度的耦合迭代计算,并结合实际工况参数对模型进行求解。本论文通过上述研究得到：95%模拟工况下,弯头磨损最严重区域位靠近弯头出口位置；颗粒在弯头入口截面的位置对壁面磨损速率影响较大,随着弯头直径的增加,对弯头造成冲蚀磨损的颗粒数量也会减少,最多可占颗粒总数的45.4%；天然气集输管道弯头磨损特征随着气体含水率的增加而变得复杂；通过对影响因素的权重分析可知,用控制流速的方法来减缓弯头冲蚀磨损。综上所述,所得的研究结果将为下一步开展实验环道研究提供了重要的基础数据,为集输管道弯头几何尺寸的设计提供了重要依据。
【关键词】：磨损 弯头 固体颗粒 Tulsa模型 疲劳磨损模型 多相流
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE977
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 研究背景及意义9-12
• 1.2 国内外研究进展与现状12-15
• 1.3 本文主要研究内容与技术路线15-18
• 1.3.1 主要研究内容15-17
• 1.3.2 技术路线17-18
• 第2章 天然气集输管道弯头冲蚀磨损模型18-51
• 2.1 颗粒磨损理论与磨损方程18-35
• 2.1.1 冲磨损理论18-21
• 2.1.2 常用磨损速率预测方程21-25
• 2.1.3 磨损速率预测方程的评价25-34
• 2.1.4 磨损速率双方程模型34-35
• 2.2 天然气集输管道弯头冲蚀磨损模型的建立35-50
• 2.2.1 建模难点35-36
• 2.2.2 颗粒及壁面物性参数重要假设36-37
• 2.2.3 天然气集输管道弯头规格37-38
• 2.2.4 弯头几何模型建立38-40
• 2.2.5 天然气的输送参数与气质组成40-41
• 2.2.6 气液两相流流型判断41-45
• 2.2.7 颗粒的来源与粒径分布45-49
• 2.2.8 天然气集输管道弯头冲蚀磨损模型49-50
• 2.3 本章小结50-51
• 第3章 天然气集输管道弯头内气液固多相流模型51-69
• 3.1 颗粒在流体中的受力分析及方程的建立51-56
• 3.1.1 单个颗粒在流体中运动的升力和曳力51-52
• 3.1.2 颗粒受到的其他作用力52-55
• 3.1.3 单个颗粒在气流中的运动方程55-56
• 3.2 颗粒相之间的相互作用56-58
• 3.2.1 颗粒相稀稠性判断56-57
• 3.2.2 判断颗粒是否发生碰撞的数学方法57-58
• 3.2.3 描述颗粒之间相互作用的模型58
• 3.3 颗粒在壁面的反射方程58-60
• 3.4 气液固多相流连续相基本方程60-64
• 3.4.1 流体动力学控制方程60-62
• 3.4.2 湍流方程62-63
• 3.4.3 在近壁区使用k-ε模型的问题63-64
• 3.5 多相流计算模型64-67
• 3.5.1 气固和液固两相流计算模型64-65
• 3.5.2 气液两相流计算模型65-67
• 3.5.3 气液两相界面张力67
• 3.5.4 气液固多相流计算方法67
• 3.6 本章小结67-69
• 第4章 天然气集输管道弯头冲蚀磨损数值计算方法69-98
• 4.1 数值计算求解过程69-70
• 4.2 有限体积法70-74
• 4.2.1 计算区域离散70-71
• 4.2.2 控制方程离散71-72
• 4.2.3 时间离散72-73
• 4.2.4 边界条件73-74
• 4.3 计算区域的插值74-82
• 4.3.1 空间插值74-77
• 4.3.2 梯度与散度的插值77-79
• 4.3.3 压力项插值79-82
• 4.4 多相流模型数值计算方法82-86
• 4.4.1 气固两相流数值计算方法(DPM模型)82-84
• 4.4.2 气液两相流数值计算方法(VOF模型)84-86
• 4.5 Fluent的二次开发86-89
• 4.5.1 UDF概述86-87
• 4.5.2 网格拓扑结构87
• 4.5.3 数据类型87-88
• 4.5.4 DIFINE_DPM_EROSION函数88-89
• 4.6 弯头结构化网格生成方法与网格无关性检查89-95
• 4.6.1 弯头结构化网格生成方法89-93
• 4.6.2 网格无关性检查93-95
• 4.7 求解器的确定95-97
• 4.8 本章小结97-98
• 第5章 天然气集管道弯头气固两相冲蚀磨损模拟98-146
• 5.1 物性参数98
• 5.2 边界条件的确定98-99
• 5.3 模型求解99-100
• 5.4 模拟结果分析100-122
• 5.4.1 模拟结果合理性判断100
• 5.4.2 连续相流场特征100-103
• 5.4.3 单个颗粒运动及磨损特征103-111
• 5.4.4 弯头磨损区域特征111-116
• 5.4.5 弯头最大磨损速率圆心角与平行截面|z|值116-122
• 5.5 模拟结果讨论122-142
• 5.5.1 影响弯头磨损速率的主要因素122-135
• 5.5.2 影响最大磨损速率圆心角的因素135-142
• 5.6 磨损速率双方程模型与Tulsa方程模型的比较142-144
• 5.7 本章小结144-146
• 第6章 含水条件下天然气集输管道弯头冲蚀磨损模拟146-155
• 6.1 物性参数146
• 6.2 边界条件的确定146-148
• 6.2.1 入口网格的分隔146-147
• 6.2.2 边界条件的设置147-148
• 6.3 模型求解148-149
• 6.4 模拟结果分析149-154
• 6.4.1 模拟结果合理性判断149
• 6.4.2 连续相流场特征149-153
• 6.4.3 弯头磨损分布特征153-154
• 6.5 本章小结154-155
• 第7章 结论与建议155-157
• 7.1 结论155-156
• 7.2 建议156-157
• 致谢157-158
• 参考文献158-163
• 附录1 弯头网格模型加密方案表163-170
• 附录2 不同影响因素弯头冲蚀磨损速率云图170-191
• 攻读学位期间发表的论文及科研成果191

【参考文献】

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本文编号：846961