悬链线立管多相流流型研究

以水和空气为介质,在不同倾角的水平段和悬链线段组合中,研究气液两相流可能出现的流型及其特点,其中流型主要通过肉眼观察结合压力波动检测的方法来进行辨别.同时针对实验范围内出现的部分流型,研究该流型下管段压力和压降随气液速度以及角度的变化规律,并对悬链线管段为段塞流和严重段塞流时管内含气率、气泡长度、气泡速度、气泡频率等参数进行测量.结果表明:试验范围内共出现9种组合流型,4种组合区域所占区域最广;气液流速的变化对管线压降有一定的影响,水平管段的角度对压降的影响远小于气液速度的影响;液速一定时,段塞流和严重段塞流含气率随气速的增加而增加,气速一定时,段塞流和严重段塞流含气率随液速的增加而减小.     

倾斜管中低温气液两相流弹状气泡生成位置的实验研究

为研究倾斜管内低温气液两相流中弹状气泡初始生成位置的分布规律,采用高速相机对以液氮为工质的6种竖直倾角和4种内径下的管内弹状流进行了可视化实验,并对管路漏热进行了详细考察.实验结果表明,弹状气泡平均初始生成位置随管径的增大而增大,随倾角的增大先增大后减小;弹状气泡初始生成位置分布的离散程度随倾角增大而增大,在倾角为20°~45°时达到最大值,之后,其分布变为集中;竖直管路内弹状气泡初始生成位置离散程度随管径增加而减小.     

大起伏角度下V形管道段塞流流型特性

利用室内实验装置,对大起伏角度条件下V型管道气液流型特性进行实验研究。实验中观测到7种流型,得到了不同流型的持液率波动信号,以实验数据为基础,对改进的Taitel-Dukler判别法、B?e准则、修正B?e准则的流型判别效果进行了验证。实验结果表明：严重段塞流I、II、III周期性明显,具有较大的功率谱密度（PSD）峰值,其峰值由大到小排列依次为I> II> III;环状流PSD幅值最小;V型管道前后倾角变化对严重段塞流范围影响较为明显,当V型管道下倾管倾角或者上倾管倾角增大时,管道底部下凹区域积液量增多,严重段塞流 I区域增大,环状流生成区域减小;改进的Taitel-Dukler流型判别准则计算结果与不同倾角下的实验数据基本吻合,实验观察气团流区域小于准则计算结果,准则计算环状流区域大于实验观测结果;修正B?e准则对于严重段塞流I、II流型判别效果要优于B?e准则;本实验拟合大起伏角度条件下B?e准则的修正系数为3。     

加注天然气稠油高温高压条件下井筒流动特征

针对塔河稠油举升困难技术难题,采用高温高压井筒模拟可视装置,研究油气两相井筒举升过程中不同温度、压力、气油比对流动型态的影响,通过电阻探针研究不同油气两相流动型态下的电阻探针频谱信号特征,建立可视与电阻探针与流动型态的关联关系,建立不同温度、压力下油气两相流动型态特征图版。结果表明:温度升高,小粒径的流型如泡状流等易转变为大粒径流型如弹状流、段塞流等,压力对流型的影响规律与温度相反;稠油加注天然气降低举升压降的主要机制为溶解降黏和密度降低;油气两相不同流型下总举升压降由小到大排序为泡状流弹状流蠕状流段塞流环状流;泡状流时油气混合流体降低举升压降效果最好,在实际生产过程中应尽可能使流型分布在泡状流状态。     

油水气三相流的流型及泡状流向弹状流的转变

油水气多相混输是海上油气田开发中赖以取得重大经济效益的技术,其流动特性的准确计算是管线设计及安全、经济运行的重要依据.首先,通过实验确定出了油水两相混合物由油包水(W/O)向水包油型(O/W)的转变发生在含水率约为0.45时.垂直下降管内油水气三相流的流型基本上可以划分为油包水和水包油型的泡状流、弹状流及环状流.通过对垂直下降管内气泡碰撞、合并机理的分析建立了油水气三相流动过程中泡状流与弹状流间的转变界限的计算式,该转变发生的临界截面含气率约为0.35,计算结果与实验值的平均误差为11%.泡状流向弹状流的转变主要取决于折算气速和折算液速的大小,含水率对转变界限的影响较弱.     

微气泡抑制垂直管中段塞流过程的实验研究

利用微气泡不易聚并的流体特性,提出了采用微气泡抑制段塞流的新方法.针对实验室规模的海洋石油工业集输-立管系统内段塞流流动过程,利用电阻层析成像技术(ERT)、压力信号分析法和高速摄像法对垂直管段塞流特性和微气泡开展了实验研究,获得了段塞流典型流型以及微气泡流体特性.在微气泡流体特性研究的基础上,进一步探索了微气泡对段塞流的抑制作用,实验结果表明:尺寸范围在1～50μm之间的微气泡,在进气量设定为4 L/min时可在一定流速范围的液体中稳定存在;在气液比为1.18、1.36和1.82时,微气泡对弹状段塞流的发生频率有显著抑制作用,微气泡通过增大边界层的返混和扰动阻力,抑制了段塞的运动,从而降低了段塞的发生频率.     

矩形窄通道内CHF点的数值模拟

采用VOF多相流模型,运用CFD软件对矩形窄通道内临界热流密度(CHF)进行了数值模拟.分析了通道内流型变化,并绘制流型图.对影响临界热流密度的因素进行了研究,与相同工况下试验结果进行了对比,证明了模拟结果的可靠性.结果表明:与常规通道相比,矩形窄通道内流型只有泡状流、弹状流和环状流,受通道尺寸限制,汽泡生长、合并不充分;临界热流密度随质量流速的增加而增加,随L/De的增大不断减小;入口过冷度对于临界热流密度影响可忽略;在相同的通道尺寸及入口条件下,上升流的临界热流密度比下降流略大,并随着质量流速增加,流向影响逐渐缩小.     

铝基微通道内纳米流体饱和沸腾及可视化研究

分别以去离子水及质量分数为0.3%,0.6%和0.9%Al2O3纳米流体为工质,在截面宽×高为0.3 mm×2.0 mm矩形铝基微通道内进行沸腾换热实验,并利用高速摄像仪进行可视化研究,分析热流密度、雷诺数、壁面粗糙度对流体传热系数的影响,探究流体流型变化与气泡生长规律。研究结果表明:纳米流体与去离子水的饱和沸腾传热系数随热流密度的增加而快速增大,努塞尔数Nu随雷诺数Re增大而增大但增幅不同,质量分数为0.3%,0.6%和0.9%的3种纳米流体的Nu比去离子水的Nu分别提高约8%,13%和16%;在相同热流密度及质量流速条件下,纳米流体与去离子水的传热系数均随传热壁面粗糙度的增加而增大;流体流型的变化呈现周期性,增大热流密度,可缩短气泡生长周期,泡状流比例增加。     

油水气三相流的流型及泡状流向弹状流的转变

油水气多相混输是海上油气田开发中赖以取得重大经济效益的技术，其流动特性的准确计算是管线设计及安全、经济运行的重要依据．首先，通过实验确定出了油水两相混合物由油包水(W／O)向水包油型(O／W)的转变发生在含水率约为0．45时．垂直下降管内油水气三相流的流型基本上可以划分为油包水和水包油型的泡状流、弹状流及环状流．通过对垂直下降管内气泡碰撞、合并机理的分析建立了油水气三相流动过程中泡状流与弹状流间的转变界限的计算式，该转变发生的临界截面含气率约为0．35，计算结果与实验值的平均误差为11％．泡状流向弹状流的转变主要取决于折算气速和折算液速的大小，含水率对转变界限的影响较弱．     

水基纳米流体在竖直毛细管中的气液两相上升流流型特性

研究了在内径为1.6 mm的竖直玻璃毛细管圆管内的氮气-CuO水基纳米流体的上升两相流流型分布图.首先对毛细管内氮气-去离子水的两相流流型进行实验研究,并与常规管的半理论半经验公式进行了比较.然后在水中添加不同比容积的十二烷基苯磺酸钠(SDBS)和CuO纳米颗粒制备成纳米流体,对氮气-纳米流体在垂直毛细管内的流型图进行了测量.研究发现,和常规管相比,毛细管内气-水两相流各种流型的转化在较低的流速下就已产生.使用纳米流体后,毛细管内的气液流型转化在更低的流速下产生.纳米流体对两相流流型的影响主要是由于添加表面扩散剂SDBS和纳米颗粒后降低了溶液表面张力而产生的.纳米流体中的纳米颗粒和表面扩散剂浓度对流型图几乎无影响.     

基于空隙率波特性的垂直气液两相流流型判别研究

通过实验得到了垂直管内气液两相流动各种流型的空隙率波，对空隙率波进行信号处理，得到了泡状流、弹帽泡状流、段塞流、沫状流等各种基本流型的空隙率概率密度分布规律和频谱。结果表明，不同流型的空隙率波、概率密度函数(PDF)曲线和频谱曲线具有不同的特征，截面平均含气率越高，空隙率波的频率越趋于单一。因此在不可视的条件下可以根据空隙率波特性，利用这些曲线特别是PDF曲线特性判别流型。     

倾斜管内气液两相上升流动流型转变的研究

对倾角为０°到２０°的范围的倾斜管内气液两相上升流动的流型及其转变进行了试验研究，通过对６种流型间转变的机理分析，提出了实现这些转变的动力学条件。进一步导出了环状流向弹状流转变；分散泡状流向泡状流或弹状流转变；泡状流向长泡状流；长泡状流向弹状流转变的４种界线方程，并与试验数据进行了比较，结果今人满意。     

S型柔性立管内空气-水两相流流型特征的实验研究

实验研究了S型柔性立管内空气-水两相流流型特征.实验环路由长114 m的水平环道,16 m的-2°下倾管和高15.3 m、长24 m的S型立管组成,环路内径为50 mm.使用立管底部压力、立管出口持液率HL及其概率密度函数(PDF)分布特征识别和区分流型.实验发现了典型严重段塞流、过渡型严重段塞流、稳定流动3类流型.典型严重段塞流下HL曲线呈方波状,相应的PDF分布呈HL分别为0和1的双峰结构;过渡型严重段塞流下HL曲线呈针刺状,其PDF分布也为双峰结构,但HL的低峰远高于HL的高峰;稳定流动下的PDF分布呈HL为0.27左右的单峰状.分析表明,典型和过渡型严重段塞流分别与垂直上升管弹状流和块状流具有相似的PDF分布特征,但彼此的流动形态却完全不同.     

基于空隙率波特性的垂直气液两相流流型判别研究

通过实验得到了垂直管内气液两相流动各种流型的空隙率波,对空隙率波进行信号处理,得到了泡状流、弹帽泡状流、段塞流、沫状流等各种基本流型的空隙率概率密度分布规律和频谱。结果表明,不同流型的空隙率波、概率密度函数(PDF)曲线和频谱曲线具有不同的特征,截面平均含气率越高,空隙率波的频率越趋于单一。因此在不可视的条件下可以根据空隙率波特性,利用这些曲线特别是PDF曲线特性判别流型。     

纳米气泡的形成及其对微细粒矿物浮选的影响

通过1个自制的、运用水力空化原理产生纳米气泡的发生装置,研究发现纳米气泡能够强化微细粒白钨矿浮选。为了更好地认识纳米气泡的性质,运用Malvern Nano ZS 90纳米粒径电位分析仪研究放置时间、油酸钠浓度、溶液p H以及空化时间对纳米气泡尺寸分布和Zeta电位的影响。研究结果表明:纳米气泡能够在油酸钠溶液稳定存在1 h以上,具有很强的稳定性;纳米气泡尺寸随着油酸钠浓度增高而减小,随着p H增大而增大;表面电负性则随着p H的增大不断增强;超过一定时间范围后,延长空化时间对纳米气泡的尺寸并无显著影响,这可能是溶液中溶解气体在水相和气相中达到动态平衡所致。纳米气泡能够提高微细粒白钨矿的浮选速率和回收率。     

纳米SiO2对UHMWPE溶液流变性质及其结晶性能的影响

将纳米SiO2经偶联剂处理后，采用溶液共混法制成UHMWPE／纳米SiO2溶液。研究了表面处理后纳米SiO2在UHMWPE中的分散性能和纳米粒子及抗氧剂的添加对溶液粘度及结晶性能的影响。结果表明：表面处理后纳米SiO2在UHMWPE溶液中可达到纳米级均匀分散；溶液粘度及粘流活化能随纳米粒子加入量的增加而增大；抗氧荆和纳米粒子的添加对PE的结晶形态都没有影响；抗氧剂的加入使UHMWPE的结晶度变大，晶粒尺寸变小，而纳米SiO2粒子的加入使UHMWPE的结晶度变小，晶粒尺寸变大。     

垂直上升管内未充分发展弹状流流动特征参数的研究

采用电导原理对气-液两相弹状流中的弹状气泡速度、液塞速度、弹状气泡长度和液塞长度进行了测量．得到了各自随表观气速或表观液速的变化规律．并对弹状气泡长度进行了统计分析，结果表明：弹状气泡长度在显性水平α=0．05的条件下符合正态分布．     

泡沫排水采气井筒流动规律实验研究

泡沫排水采气工艺因成本低、施工简单及收效快在国内外各大气田广泛应用,在众多排水采气工艺中扮演主力军作用。准确揭示泡沫排水井井筒压降规律及携液规律对于优化泡沫排水工艺技术参数、提高泡沫排水采气工艺技术水平具有重要意义。搭建了高8 m、内径30 mm可视化实验装置,通过垂直管流实验对比了起泡剂对气液两相流型特征及流型转化条件的影响,揭示了其内在机理;测试了起泡剂浓度、气相表观流速、液相表观流速和倾角对气液两相压降、持液率和临界携液气相流速的影响规律。实验表明,加入起泡剂后:1)降低了段塞流向搅动流、搅动流向环状流转变的气相表观流速,使段塞流和搅动流的气相流速区间变窄。2)段塞流和搅动流的压力梯度显著降低,环状流压力梯度显著增加。3)段塞流和环状流气液间的滑脱减弱,持液率降低。4)连续临界携液气相流速急剧降低,在5 0°左右的倾斜管段效果尤为明显,最大降幅超过4 0%。     

离心泵吸水室内气液两相流动试验及数值模拟

为了研究离心泵输送气液两相介质时吸水室内的流动规律,对透明模型离心泵进行了试验研究;同时基于Eulerian Eulerian非均相流模型,对离心泵内气液两相流动进行了数值模拟,采用试验验证过的数值计算模型分析了吸水室内的两相流动,揭示了吸水室内流型的变化规律,建立了流型与泵外特性之间的关系。研究结果表明：吸水室内最多可能出现8种流型,但在某一转速下,最多只会出现6种流型;气体螺旋长度随液体流量的增大而减短,随转速的增大而增长;螺旋流的出现极大地增大了吸水室内的湍流强度,降低了泵的稳定性;吸水室内流型为稳态螺旋泡状流时,泵的扬程较大,离心泵效率最高时,吸水室内流型为稳态非螺旋泡状流或脉动非螺旋泡状流。     

充气钻井环空弹状流稳态流动模型与实例验证

国内外针对弹状流(段塞流)管流的力学模型研究很少,且计算误差较大,无法应用于钻井工程。为此,针对充气钻井开展环空气液弹状流稳态力学模型研究,可准确预测和设计井筒流体参数。首先,借鉴国外研究成果,对钻井气液两相管流型态进行描述分析,推导出环空弹状流与泡状流的转换判别关系式,认为环空充气钻井液主要出现泡状流和弹状流两种流型,且充气钻井井深小于300 m的环空内为弹状流。然后,建立环空弹状流单元的物理模型,并对其流动参数进行解析计算。依据管流机械能守恒定律,建立充气钻井环空弹状流稳态力学模型,并给出数值解法。通过两井连通充气钻水平井(DNP02井)的实钻模拟,计算出的环空流动参数与现场实测数据非常吻合,误差小于5%。证实模型的理论体系完整,计算结果满足钻井工程需求,具有很好的通用性。