在開發(fā)海洋石油和天然氣資源時,常采用多相混輸管道運(yùn)輸油氣,而海底混輸管線包括鋪設(shè)于海床的下傾管和連接海上平臺的立管。氣液兩相在這種形式的管道中流動不穩(wěn)定,易形成一種管道內(nèi)液塞達(dá)到數(shù)倍立管高度的有害流型,即嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象,從而使管道內(nèi)壓力和流量等特性參數(shù)大幅度波動,可能對下游設(shè)備造成沖擊,損壞管道和設(shè)備。因此,對嚴(yán)重段塞流的深入研究變得越發(fā)重要,具有實(shí)際的工程價值。本文針對海洋開采常用的下傾管-垂直立管系統(tǒng),通過建立數(shù)學(xué)預(yù)測模型和采用二維CFD模擬方法,對管道系統(tǒng)氣液兩相嚴(yán)重段塞流的流動特性及特性參數(shù)進(jìn)行研究,主要工作如下。(1)基于管道系統(tǒng)中流體的連續(xù)性方程和動量方程建立嚴(yán)重段塞流的一維瞬態(tài)數(shù)學(xué)預(yù)測模型,通過對數(shù)學(xué)模型的求解,可以得到液塞流動速度、液塞長度、壓力、周期、含氣率等特性參數(shù),從而能及時有效的評價嚴(yán)重段塞流的危害。(2)以下傾管-垂直立管系統(tǒng)為研究對象,利用Fluent軟件對氣液兩相嚴(yán)重段塞流流動過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,揭示了幾種類型的嚴(yán)重段塞流的流動過程,獲得了嚴(yán)重段塞流的壓力、速度、流量、周期、含氣率等特性參數(shù),數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)所述實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。(3)分析了SSⅠ型、SSⅡ型、SSⅢ型、穩(wěn)定流動四個類型的流動過程的區(qū)別,以及嚴(yán)重段塞流的特征參數(shù)的變化特性。結(jié)果表明,壓力、速度等參數(shù)的變化都具有周期性,在各個流動階段都具有一定的變化趨勢,且特性參數(shù)變化與氣體折算速度有一定的關(guān)系。(4)利用Fluent軟件模擬了當(dāng)下傾管角度為0時,即為水平管時,管道系統(tǒng)中的氣液流動,驗(yàn)證了管道系統(tǒng)為水平管-垂直立管系統(tǒng)時,管道內(nèi)沒有嚴(yán)重段塞流現(xiàn)象出現(xiàn)。(5)采用二維CFD數(shù)值模擬方法,分析了氣液物性參數(shù)對嚴(yán)重段塞流特性參數(shù)變化的影響,選取水和煤油作為液相流體介質(zhì),空氣和甲烷作為氣相介質(zhì)進(jìn)行Fluent軟件模擬,發(fā)現(xiàn)液相物性參數(shù)對嚴(yán)重段塞流的流動特征和特性參數(shù)的影響較大,而氣相物性參數(shù)的影響較小。
【學(xué)位單位】：西安石油大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TE832
【部分圖文】：

c1~6為系數(shù)，見表 2-1；β 為下傾管傾斜角度，取負(fù)值；Nl為液相粘度準(zhǔn)數(shù)，Nvg、Nvl分別為氣、液相表觀速度準(zhǔn)數(shù)，vsg、vsl分別為下傾管入口處氣、液相折算速度，m/s；ρl為液相密度，kg/m3；σ 為表面張力，N/m；μl為液相的粘度，Pa s。表 2-1 Mukherjee-Brill 持液率公式回歸系數(shù)流動方向 流型 c1c2c3c4c5c6上坡和水平 全部 -0.3801 0.1299 -0.1198 2.3432 0.4757 0.2887下坡分層流 -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）下傾管分層流流動模型氣液兩相以分層流形式在下傾管中流動，具有明顯的相界面，為了簡化計(jì)算，將波動界面視為平面，如圖 2-1 所示。

L 為下傾管的長度；ul為分層流液體流動的速度， lludtdu= ；f 為范寧用 Blasuis 公式計(jì)算，( )nfCRe = ，當(dāng) 2000mRe <時，C =16,n =1；當(dāng) mRe >46， n = 0.2；Taitel Y 認(rèn)為氣液界面與氣壁界面摩擦因子相同[10]，即if =和管道間作用應(yīng)力；iτ為氣液兩相之間作用應(yīng)力；ρg為氣相密度，kg/m3傾管的液體質(zhì)量流量，kg/s。略下傾管液體流動慣性力，由式（2-5）至式（2-10）可求出，分層流液體的速度 ul，以及流體從下傾管入口流動到立管底部的時間 t0等參數(shù)。 液塞形成階段液塞形成階段，下傾管液體流至立管底部彎頭處由于重力作用積聚從而阻管。當(dāng)氣液繼續(xù)流入，下傾管和立管中的液塞同時雙向增長，立管中的液升，產(chǎn)生的靜水壓力增加，流動過程如圖 2-2 所示。

式（2-15）-式（2-20）聯(lián)立迭代求解，可得到 rv、 pv、 rL、pL、gP數(shù)。算初始條件：0prL= L=， gsP =P，即液塞正好處于立管底部彎頭部口剛被液塞封住。算終止條件：立管中液塞頭部上升至頂部出口處，即L =Hr。液塞出流階段液塞出流階段，下傾管中的液塞在氣體推動下逐漸從立管頂部流出，這立管中只存在液體，如圖 2-3 所示。
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本文編號：2889530