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水平管内油气两相流流型及流型转换的实验和理论研究

刘洁净  
【摘要】: 在石油工业中,油气混输技术已得到越来越广泛的应用。为了满足工程实际的需要,世界各国积极开展对混输技术的研究,我国也已经将混输技术的研究纳入国家863计划。油气混输技术研究的关键技术在于对混输管线内油气流动特性及其规律的了解,这是一个典型的两相流动问题。两相流动体系广泛存在于化工、冶金、能源、环保、轻工和军工等各个工业领域,促使两相流领域的研究工作迅速发展,成为国内外给予极大关注的前沿学科。工程上的油气混输系统,由于受流量、介质物性、管道形式以及倾斜角度等因素影响,使得管道截面含气率变化,引起各种不同流型的生成。段塞流是油气混输管道中一种最常见的流型,由于流动的间歇性,引起管道中持液率和压力的急剧波动,并使得运行在该流型下的油气混输管道不得不承受间歇性应力冲击,离开管道末端的大液塞会引起下游油气处理设备中的液位剧烈波动。工程上对许多多相流系统事故进行分析时,常常发现是由于流型的不明确造成误算或误操作的结果。因此,为了保证管线和下游油气处理设备的最优设计和安全操作,对流型特性,尤其是段塞流特性,进行准确分析以及流型转变预测至关重要。 本文对水平管内油气两相流动的流型及其转变特性,特别是结合油气混输工程和多相流动态特性理论的研究,对分层流向段塞流的转变影响因素进行了较系统的理论和实验研究。本文研究的主要内容为: 与课题组其他成员共同搭建了25.4mm的油气两相流实验平台,并用空气和0#柴油的实验介质,通过不断调节油气流量,观察到分层流、波形分层流、段塞流等流型,根据实验数据绘制了流型图。 根据系统的动力学原理,采用压力和差压变送器、数据采集器获得实验管段的压力以压差信号数据,绘制出相应的功率谱密度图,并由此来推断流型,与可视化实验的结果进行比较,获得了比较一致的结果。 利用经典的TaitelDukler半理论模型和一维波动理论模型对水平管内油气两相流的分层流向段塞流的转变进行了理论预测。TaitelDukler半理论模型是根据Kelvin-Helmholtz波动理论对界面波开始生长的条件作了定性分析,给出了界面波生长需要满足的条件。并将这个条件作为分层流向段塞流转变的理论判据,与实验结果进行比较分析,发现两者吻合的较好。 进一步在一维波动理论的基础上,根据该理论中提出的两相流动连续波和动力波传播速度的相互关系,把连续波追上动力波作为分层流向段塞流转变的理论判据,与实验结果进行比较分析,两者吻合的较好。 在前人研究的基础上,从理论公式和实验经验公式两方面,深入探讨了分层流向段塞流转变的机理。对油气混输水平管道内两相流的流型及流型变化进行了深入的实验研究和理论分析,得到了一些涉及工程设计和运行的结论,对油气混输技术的发展,也丰富了油气两相流的科学理论。


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