世界上稠油地質(zhì)儲(chǔ)量豐富,在勘探開采工藝的高速發(fā)展下,稠油的輸送技術(shù)也備受研究。稠油是一種粘度高,流動(dòng)性差的油品,單相輸送必然造成過大的流動(dòng)壓降、較低的輸送效率等問題。針對(duì)此問題,研究人員提出了一種以水環(huán)作為潤(rùn)滑層來隔離油液與管道之間接觸摩擦,以實(shí)現(xiàn)低耗高效的油水環(huán)狀流稠油輸送方法。然而,水環(huán)的穩(wěn)定性是該輸送技術(shù)的難點(diǎn),也是稠油穩(wěn)定輸送的重要前提。當(dāng)受到閥門啟閉、管路振動(dòng)等諸多管輸現(xiàn)象的影響下,油水環(huán)狀流容易遭到擾動(dòng),并出現(xiàn)流型波動(dòng)甚至破壞等有害現(xiàn)象。因此,本課題著重進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)球閥過程中的油水環(huán)狀流流場(chǎng)特性的研究,在已有油水環(huán)狀流研究成果基礎(chǔ)上,通過理論推導(dǎo)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬三種分析手段探索轉(zhuǎn)動(dòng)球閥時(shí)對(duì)油水環(huán)狀流穩(wěn)定性的影響機(jī)理。具體將圍繞以下幾個(gè)方面展開研究:基于斜管偏心油水環(huán)狀流的理論研究成果,推導(dǎo)出在閥門開度為50%(轉(zhuǎn)動(dòng)角度45°)下油水兩相的速度分布,壓降梯度及剪切應(yīng)力的精確解。搭建油水環(huán)狀流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并進(jìn)行性能實(shí)驗(yàn),對(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,在兩者吻合良好的情況下說明數(shù)值計(jì)算應(yīng)用到本課題模型的可行性。結(jié)合滑移網(wǎng)格模型及CLSVOF多相流模型對(duì)開閥及關(guān)閥過程中油水環(huán)狀流進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,分析閥門轉(zhuǎn)速、水環(huán)厚度對(duì)油水環(huán)狀流的流場(chǎng)壓力、相體積分?jǐn)?shù)、流速、射流等流場(chǎng)特性影響規(guī)律。模擬結(jié)果表明,較大開閥速度能加速油水環(huán)狀流型恢復(fù),但流場(chǎng)流速、管內(nèi)壓力波動(dòng)也隨之增大,環(huán)狀流穩(wěn)定性較差;水環(huán)厚度為1mm和1.5mm的粘壁現(xiàn)象顯著,較薄水環(huán)所表現(xiàn)的較低的含水率將削弱油水兩相流從分離破碎形態(tài)向環(huán)狀流流型的重構(gòu);在關(guān)閥開度小于30%時(shí),油液能維持被水環(huán)包裹實(shí)現(xiàn)環(huán)狀流流動(dòng),隨著開度逐漸增加,油水環(huán)狀流遭到失穩(wěn)破壞。結(jié)合CLSVOF多相流模型及流固耦合模型對(duì)球閥-管道-油水環(huán)狀流進(jìn)行模擬分析,揭示有流固耦合作用下的油水環(huán)狀流的流場(chǎng)特性規(guī)律。模擬結(jié)果表明有流固耦合模型的油水環(huán)狀流流場(chǎng)特性規(guī)律與非流固耦合模型的油水環(huán)狀流流場(chǎng)特性規(guī)律基本趨于一致。此外,受環(huán)狀流流場(chǎng)作用的管壁位移及剪切應(yīng)力變化甚小。
【學(xué)位單位】：廣州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TE345
【部分圖文】：

工程應(yīng)用中的球閥主要是由球體、閥座、閥桿等組成（如圖 2-1 所不同的閥門開度，其閥芯所形成的流通截面是不一樣的，其流道截面大致欖型結(jié)構(gòu)：中間寬，兩端尖。較小的閥門開度會(huì)形成狹小的流通截面，油水流通過該流通截面，流型會(huì)遭到嚴(yán)重破環(huán)，產(chǎn)生復(fù)雜的非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)[4]。在較閥門開度，流通截面會(huì)呈倍數(shù)增大，油水環(huán)狀流型逐步形成。由于油水兩相經(jīng)相對(duì)開度為 40%~50%的球閥下可形成水層包裹油流的重要流型，但此開閥下的油流并非是沿軸線對(duì)稱，而是表現(xiàn)出嚴(yán)重的偏心，即 Eccentric Corlar flow（ECAF）。因此，可以認(rèn)為閥門的流通截面是造成油水環(huán)狀流失穩(wěn)的所在。基于閥門流通截面的復(fù)雜多變性，本文僅推導(dǎo)出閥門相對(duì)開度 50啟角度為 45°）時(shí)的油水環(huán)狀流的數(shù)學(xué)模型。在通過對(duì)該數(shù)學(xué)模型的理解和，即可獲得在不同閥門開度（大于 50%）下，油水偏心環(huán)狀流的數(shù)學(xué)模型及解。

廣州大學(xué)碩士學(xué)位論文假定油水兩相連續(xù)流經(jīng)閥芯內(nèi)部，且核心油相偏離軸心流動(dòng)，水層緊貼閥芯在內(nèi)壁進(jìn)行流動(dòng)，建立基于二維直角坐標(biāo)系的兩相流型分布示意圖，如圖 2-2 所示。核心油液視為可壓縮流體，環(huán)狀水流視為不可壓縮流體。由于球閥閥芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)為圓柱形，而僅流道出流截面為橢圓面，因此可用極坐標(biāo)來描述油水兩相區(qū)域，對(duì)以上二維直角坐標(biāo)系問題轉(zhuǎn)化為關(guān)于 極坐標(biāo)問題考慮，如圖2-3所示。

對(duì)以上二維直角坐標(biāo)系問題轉(zhuǎn)化為關(guān)于 極坐標(biāo)問題考慮，如圖2-3所示。圖 2-2 油水環(huán)狀流二維直角坐標(biāo)示意圖 圖 2-3 油水環(huán)狀流極坐標(biāo)示意圖Fig.2-2 Two-dimensional Cartesian of CAF Fig.2-3 Polar coordinates of CAF其中，定義核心油相與環(huán)狀水相接觸面為C ，定義環(huán)狀水相與管道內(nèi)壁接觸面為W 。顯然核心油相和環(huán)狀水相的變化區(qū)間可表示為：環(huán)狀水相： ;　0 ２ wc核心油相： ;　0 ２ c其中，CR 、 R 分別表示油核半徑、管道內(nèi)徑，Ce 表示油流中心偏離閥芯軸線的距離。對(duì)以上物理量進(jìn)行無量綱化： cccccReRe~~2~~1cosh221 ;RRRcc ~; cccweRe~2~~1cosh221 ;ccReE~1~ ;Reecc ~; （2-1）其中，界面 、 應(yīng)滿足以下條件：

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2824714