水平管内油流携水系统特性分析

根据油水两相动量方程以及油相连续性方程,对水平管道油流携水系统特性进行了分析,提出了油流状态为层流时,在剪切作用下水平管道中水相厚度的分布模型,对油流携水系统形成水塞所对应的临界水相厚度以及水相厚度在流动方向上的分布进行了理论分析,并对管径、积水厚度、油相流速以及物性等参数的影响进行了分析。结果表明:临界水相厚度取决于管径、油相流速以及两相密度,其中前两者的影响较大;水相厚度的分布则取决于管径、初始积水厚度、油相流速及物性参数。     

管道油流携水系统的界面分布

成品油管道低洼处积水引起的腐蚀产物堵塞管道事故严重威胁管道的正常运行,为研究管道中油流携水作用机制,从试验、理论两个角度对油流携水系统的特性进行研究。以柴油和水为介质,在内径27 mm的水平-上倾管流试验系统上对上倾管段0.5 m位置处的出水量以及临界油相流量(出水量不为零时的最小油相流量)进行测量,同时根据试验模型,基于油水两相动量方程和光滑分层流稳定的条件,建立水相厚度梯度的计算模型,对水平测试段中相界面分布进行分析,对出水量以及临界油相流量进行预测。结果表明:新模型能很好地预测两参数的变化;在油流携水系统中,油相处于层流状态时,建立的水相厚度梯度模型能很好地预测相界面分布。     

上倾管内油水两相流流型实验研究

国内多条成品油输送管道在投产和运行过程中,采用“水联运”投产方式所造成的上倾管道低洼处积水现象引起了严重的管道内腐蚀问题。利用上游来油将低洼处积水携出管道能有效缓解内腐蚀。采用0#柴油、去离子水在内径100 mm的上倾管道内观察油水两相流流型并测量油携水临界流速。结果表明,随油流黏性力增大和管道倾角增大,油水两相流依次呈现波状分层流、有水滴的波状分层流和油相占主导的分散流3种流型;同一流型下,油相能将水相携入上倾段的最低临界流速随倾角增大而增大;倾角从20°增大到25°使流型从波状分层流转化为有液滴的波状分层流时,油相能将水相携入上倾段的临界流速从0.203 m/s减小为0.187 m/s;倾角从30°增大至35°时,使初始流型从有液滴的波状分层流转换为水相在油相中的分散流,油相能将水相携入上倾段的临界流速从0.205 m/s减小为0.194 m/s;油相能将水相完全携出上倾段的临界流速随倾角增大而略有增大;发生流型转化的流速随倾角增大而减小。     

起伏管内局部油水两相流流动特性实验研究

地形起伏成品油管道积水不仅降低管输效率、加速管道内壁腐蚀,其腐蚀产物还可引起干线设备堵塞,甚至 计划外停输。采用0# 柴油、自来水在内径50 mm 的地形起伏透明有机玻璃测试系统上对油流携带积水这一局部油水 两相流系统进行了实验研究,发现：随油流剪切作用的增大,积水逐渐呈界面光滑分层流、界面波动分层流以及界面乳 化分层流3 种形态;一旦积水全部进入上倾管段,其平均运动速度随油相表观速度增大而线性递增,其平均截面含率 随油相表观速度增大而线性递减;积水全部进入上倾管段时对应的油相表观速度随上倾倾角增大而增大,而积水量对 其影响较小。结果表明采用上游来流可以将积水携带出去。     

壁面润湿性对原油携水流动特性的影响分析

采用原油携水流动的方式将管道内部积水携出可以有效解决管道内部的积水引发管道腐蚀穿孔的问题。基于原油携水流动的动力学过程和界面形态,建立了原油携水流动模型,采用基于VOF模型的InterFoam求解器求解油水界面的动力学方程,对比验证了相同条件下的实验数据和数值模拟结果,分析了原油流速和壁面润湿性对原油携水能力的影响趋势。研究结果表明,使用OpenFOAM对原油携水流动进行模拟分析的方法切实可行,模拟结果与实验结果相比具有较好的吻合性。随着原油流速的增加,原油的携水能力增加,管道内的积水更易被原油携带出管道底部,而原油临界流速的大小取决于管道壁面的润湿性;随着管道壁面的润湿程度的降低,积水有聚集为水团的趋势,并且原油的携水能力增加;当原油流速大于临界流速时,原油的携水能力取决于壁面的润湿程度(即接触角θ的大小),当接触角θ=30°时,水以连续波状薄膜的形式存在;当接触角θ=60°时,薄膜破裂形成分散的水团,这些水团零散地分布于倾斜管壁上,并在剪切力的作用下不断向上移动;当接触角θ≥90°时,积水逐渐在倾斜管段上聚集为一团。     

积水在上倾输油管中运动状态研究

应用试验和数值模拟两种方法对积水在管道中的分布以及表观油速、管道倾角对积水运动的影响进行研究。在内径为0.1 m的环道上进行试验,用高速摄像的方法对积水在5°～30°上倾管道中的运动状况进行分析,在管道入口增加微小波动,对试验工况下积水的运动状况进行数值模拟。结果表明:表观油速对积水运动的影响较大,管道中剩余积水量随着表观油速的增大而减小,当表观油速达到临界值时积水能被完全清除;管道倾角对积水运动的影响较小,在4种试验倾角下清除积水所需的临界油速均相同;数值模拟结果与试验结果吻合较好,由于多相流模型的局限性,不能精确地模拟水滴的聚结与破碎。     

液相物性对气液两相管流流型和压降影响的研究

通过实验研究了不同液相介质(水相和油相)对气液两相管流中流型和压降的影响.实验管线为内径50mm的透明有机玻璃管,管线从入口到分离器长约35m,实验管段由一个高3.3m、宽0.72m的垂直倒U型管和一个长3m的水平管组成.实验结果表明对于较低液相粘度的气液两相流动,液相物性对水平管中塞状流向弹状流的转化以及倒U型管中下降管内的环状液膜流动向间歇流动的转化有一定的影响,但对水平管中分层波状流动向间歇流动的转化以及倒U型管中上升管内的流型转化影响很小.通过分析压降数据得出,对于倒U型管中的上升段,液相流动状态对于压降起着主导作用,但在下降管内液相和气相的流动状态都对压降有重要影响.     

R410A-油在φ7 mm水平直强化管内流动沸腾阻力特性

研究了环保替代制冷工质R410A-润滑油混合物在水平直强化管内的流动沸腾摩擦压降特性,探索了油的平均质量分数、干度和质量流率对摩擦压降的影响.实验测试管为内螺纹强化管,长度为2 m、外径为7.0 mm.实验结果表明,R410A-油混合物在强化管内的流动沸腾摩擦压降随油的平均质量分数、干度和质量流率的增大而增大,当油的平均质量分数从0增长到5%时,压降最大可增加31%.R410A-油混合物在强化管内流动沸腾的摩擦压降与光管相比大约增大10%~35%;润滑油的存在对强化管内摩擦压降的增强作用与光管相比较小.开发了适用于R410A-油混合物强化管内流动沸腾的摩擦压降关联式,新的关联式预测值与97%以上的实验数据偏差在±10%以内,平均误差为4.25%,最大误差为14%.     

水平管内黏稠油水环输送的稳定性

采用FLUENT软件,基于VOF两相流模型、标准kε湍流模型及CSF表面张力模型,模拟了油-水环状流在水平管中的流动情况,分析了流体性质(油-水密度差、油-水黏度比、油水界面张力)对油水两相分布特征及水环结构稳定特性的影响。模拟结果表明,流体性质对截面平均含油率基本无影响,在不同模拟工况下均约为73%。但其对油水两相体积分数分布和水环稳定性评价指标(油芯偏心率、水环维稳长度比、管输压降)有显著影响,在模拟条件下,油-水环状流总体上呈上薄下厚的水层包裹位于管道上部的核心油流的偏心形态;当油相密度为996.4 kg/m³,油相黏度为1 743.3 mPa·s,油-水界面张力为22.36 mN/m时,水环的稳定性最好。     

水平振动管内液氢流动沸腾压降的数值模拟

在液氢加注系统中,管道振动会显著影响液氢加注效率,甚至会威胁到加注过程的安全性。为了避免这种现象,确保加注过程的安全的进行,建立加注管路的三维模型,采用数值仿真的方法,从不同入口速度、振幅、频率等方面,利用CFD软件模拟并分析振动对液氢管内流动沸腾压降的影响。利用快速傅里叶变换(FFT)分析方法,得到液氢管内流动沸腾压降波动与管道振动之间的关系。研究结果表明:对液氢在输运管内流动压降影响最大的是频率,而对压降波动影响最大的是入口速度。     

水平管油-气-水三相流压力梯度变化特性

在内径50 mm、长40 m的不锈钢水平环道内,利用压力传感器对油-气-水三相管流压力波动特性进行试验研究,从流型的观点分析三相管流平均压力梯度随液相中入口体积含水率、气相折算速度以及液相折算速度的变化规律.结果表明:油-气-水三相管流条件下的转相点对应的人口体积含水率为40%,低于油水两相管流转相点对应的体积含水率(60%),油-气-水三相流动转相的发生与折算液速、折算气速和液相含水率均有关, Lockhart＆Murtinelli两相模型可以用来预测AN ‖ O/W流型的油-气-水三相流动压力梯度.     

利用PIV技术对水平携带床内气流分布速度的研究

为研究氩气流在水平携带床热解管中的运动,设计了水平携带床透明冷态模拟装置.以油雾粒子为示踪粒子,利用PIV技术对示踪粒子在水平携带床管内的速度分布和加速距离进行了实验研究,并对管内气流的速度分布进行了分析.研究结果表明,油雾粒子加入管道后的加速距离约为400mm,在大于400mm的区域内已经较为稳定,速度变化很小;气流在进入管内400~600mm时,处于过渡段的后期或已经进入稳定段.     

垂直管不同黏度下油气水三相流压降规律研究

为研究垂直管不同粘度油气水三相流压降变化规律以及建立新的三相流压降预测计算方法,依托于中石油气举试验基地多相流试验室,对垂直上升管道中不同粘度油相下的油气水三相流动进行模拟。在固定油水比条件下,通过调整不同油相粘度、气液比、气液流量等参数进行油气水三相流试验,研究油相粘度对油气水三相管流压降变化影响规律。利用CFD软件参考试验工况模拟油气水三相流动,确定在不同粘度条件下气液两相分布情况,通过CFD软件模拟确定油水两相在充分混合后可视为单一非牛顿流体混合相。基于CFD模型结果,将三相流看作油水混合相与气相的两相流动,考虑粘度对摩阻系数的影响,根据非牛顿流体剪切特性建立了新的摩阻系数计算方法,基于M-B模型重新建立了新的压力计算方法。对比试验数据与计算结果,发现压降计算模型误差范围在15%内,满足工程实际需求,说明压降模型具有实用性。     

小管径强化管内R410A-油混合物流动沸腾阻力特性

实验研究了环保制冷工质R410A-润滑油混合物在5 mm小管径内螺纹强化管内流动沸腾的摩擦压降特性.实验结果表明,对于纯制冷剂R410A,摩擦压降随着干度的增大先增大后减小,峰值出现在干度为0.7~0.8左右;R410A-油混合物的摩擦压降随油平均质量分数、干度和质流密度的增大而增大,当油平均质量分数从0增长到5%时,在干度为0.9的高干度工况下,摩擦压降最大可增加120%.R410A-油混合物在5 mm强化管内流动沸腾的摩擦压降与7 mm强化管的相比约增大10%~30%;用已有的7 mm强化管的压降关联式预测5 mm强化管的压降时,误差为±40%.以R410A-油混合物在7和5 mm强化管内摩擦压降的实验值为基础,建立了基于混合物物性的R410A-油混合物在不同管径强化管内的摩擦压降关联式.该关联式的预测值与95%的实验值误差在±20%以内.     

R410A-油在Ф7mm水平直强化管内流动沸腾阻力特性

研究了环保替代制冷工质R410A-润滑油混合物在水平直强化管内的流动沸腾摩擦压降特性，探索了油的平均质量分数、干度和质量流率对摩擦压降的影响．实验测试管为内螺纹强化管，长度为2m、外径为7．0mm．实验结果表明，R410A-油混合物在强化管内的流动沸腾摩擦压降随油的平均质量分数、干度和质量流率的增大而增大，当油的平均质量分数从0增长到5％时，压降最大可增加31％．R410A-油混合物在强化管内流动沸腾的摩擦压降与光管相比大约增大10％～35％；润滑油的存在对强化管内摩擦压降的增强作用与光管相比较小．开发了适用于R410A-油混合物强化管内流动沸腾的摩擦压降关联式，新的关联式预测值与97％以上的实验数据偏差在±10％以内，平均误差为4．25％，最大误差为14％．     

组合管中气粉流的临界管长

根据气粉流运动的基本定律，考虑收缩喷管的等熵流动以及等截面管中的摩擦流动，建立了描述组合管中气粉流的数学模型．考虑气粉流摩擦壅塞现象，用马赫数检验法确定了组合管的临界管长．计算结果表明，组合管的临界管长随粉气比的增大而减小；在不同粉气比下，组合管中气体速度和粉粒速度均沿程逐渐增大，而粉粒终速随粉气比的增大而减小；组合管的临界管长比等截面管的临界管长小得多，且组合管中的压降比等截面管中的压降明显减小     

水平气井连续携液实验研究及模型评价

水平气井较直井更难于连续携液,为了研究水平气井连续携液问题,利用可视化水平井气水两相井筒管流模
拟实验装置（垂直段6 m,水平段10 m,倾斜段6 m）模拟水平井气液两相流动,对比观测直井段、倾斜井段、水平井段
的流动型态。实验表明：水平井三井段中,倾斜管段的携液能力最差,所需临界携液流速最大,可将其作为水平气井的
临界携液流速。倾斜管临界携液流量预测模型中,液滴模型和液膜模型是目前被普遍接受的两类模型。为研究倾斜
管连续携液,实验观测不同倾斜角（28°∼72°）条件下流型变化并测试临界携液流速。实验表明倾斜管段液体主要以液
膜形式被携带,从携液机理分析,液膜模型也更为合理;通过实验测得的213 组数据对液滴模型和液膜模型进行对比
分析,发现液膜模型的平均百分误差、平均绝对百分误差及相对性能系数均较小,从计算结果分析,液膜模型也更为
合理。     

泡沫流体管流流动与换热数值模拟

基于质量、动量和能量守恒方程,建立泡沫流体在圆管内流动与换热的物理模型和数学模型,并利用FLUENT软件进行模拟,得到不同雷诺数下圆管内的压力损失、管道横截面上的速度分布和表观黏度分布,同时回归了不同雷诺数下的摩阻系数和努塞尔数经验关系式.结果表明:管内压力沿管程不断降低,且流速越大压降越大;管内温度沿管程不断升高,且流速越小温升越大;管道横截面上的速度、温度分布不均匀,越接近管壁速度越小,温度越高.     

固液两相流管道水力输送的研究进展

在参阅国内外有关文献的基础上,介绍了管道水力输送的基本原理,综述了管道固液两相流动中流动状态,浓度和速度分布,临界流速及摩阻损失等方面的研究进展。     

基于单丝电容探针的机油-水两相流水相高度的测量

利用一种单丝电容探针,对水平管内机油-水两相流的水相高度进行测量.实验中油、水相折算速度分别为0~0.2 m/s和0~0.8 m/s,覆盖了水为连续相的全部流态:包括波状分层流、三层流、水包油/水和水包油4种流型.每种流型下,给出了水相高度输出曲线和相应的流型结构,分析了不同流型下探针的检测性能.结果表明,单丝电容探针的敏感系数高达1.52 pF/mm,探针能够检测到连续相的水,无法检测到乳化在机油中的水.随着油泡尺寸的减小和速度的上升,探针识别油泡的能力逐渐下降.不同流型下的水相高度曲线特征各不相同,相应曲线的统计参数能够准确描述流型特征,以此为基础,有望实现流型识别.