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CFD的海洋立管系统严重段塞流数值模拟

利用CFD软件Fluent建立二维全尺寸仿真模型,对立管实验装置中的严重段塞流现象进行数值模拟研究。模拟方法中,采用液体体积函数(volume of fluid,VOF)法追踪气液界面;将长距离海底管道等效为箱体,以提高计算效率。模拟出了立管系统中的四种流型:典型严重段塞流(SSI)、严重段塞流II(SSII)、过渡流型(SST)和稳定流动;并对这四种流型的模拟结果进行了实验验证。最后,对典型严重段塞流的瞬态流动特性进行了深入分析。结果表明:采用数值模拟方法计算效率高,可准确模拟严重段塞流现象,为长距离立管系统中严重段塞流研究提供了切实可行的模拟方法。模拟工况下,气液喷发的瞬时质量流量可达入口的2.5倍以上,气液平均流速可达入口的4.5倍以上,其瞬态流动特性的分析对严重段塞流危害的准确评估有重要意义。     

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.     

运动监测装置对柔性立管整体性能的影响

针对服务于我国南海某FPSO采油平台的9.25英寸柔性立管,根据南海海域实测的海洋环境条件,基于专业的海洋工程软件orcaflex,对该柔性立管进行了整体性能有限元计算,分析了不同波浪方向下,立管运动监测装置质量以及安装位置对立管整体性能的影响。结果表明,波浪方向、立管运动监测装置的质量及其安装位置对立管的整体性能均具有一定的影响,其中,波浪方向主要对立管最大张力值影响较大,而立管运动监测装置的质量及安装位置对立管最小曲率半径和最大张力值影响均比较明显。     

深海立管中严重段塞流特性模拟研究

随着油气田开发由陆地走向深海,海洋立管系统得到了充分的应用。由于立管的存在,容易导致严重段塞流的形成,引起剧烈的压力和流量波动,对下游生产设备的操作及管线的运行带来了安全隐患。为了研究海洋立管中的严重段塞流,将严重段塞流水力学模型与相平衡计算模型、温度计算模型相结合,建立了严重段塞流组分模型。研究表明,该严重段塞流组分模型的计算结果给出了合理的流动规律,可用于凝析油气管线中的严重段塞流现象的预测。同时,将计算结果与OLGA模型的模拟结果进行了对比,进一步说明了该模型的实用性,对严重段塞流的预测和控制具有一定的借鉴意义。     

含复合材料结构的非黏结柔性立管弯曲特性

非黏结柔性立管常用于将海底油气资源输送到平台,有时因设计需要会包含复合材料圆柱壳层结构.以一类8层的非黏结柔性立管为研究对象,分析了含有复合材料圆柱壳层结构的非黏结柔性立管的弯曲特性.提出了一种作用于非黏结柔性立管的轴对称载荷和弯曲载荷联合作用的理论模型,同时建立了计及详细几何特性的非黏结柔性立管数值模型进行了验证.分析了两种典型复合材料及其纤维体积分数对非黏结柔性立管弯曲特性的影响.理论与数值结果吻合较好,计算结果表明：非黏结柔性立管的弯曲特性受复合材料圆柱壳层轴向弹性模量影响较大,轴向弹性模量较大的复合材料会较大地增强完全滑移阶段的非黏结柔性立管的弯曲刚度.非黏结柔性立管的轴向抗拉刚度和完全滑移阶段的弯曲刚度都随着复合材料圆柱壳层的纤维体积分数增大,接近线性增强.     

轴压下非黏结柔性立管响应特性的数值计算方法

为避免传统数值方法对非黏结柔性立管骨架层和抗压铠装层简化导致其应力计算不准确的问题,给出了非黏结柔性立管响应特性的一种数值计算方法,计入骨架和抗压铠装层实际截面形状及层间相互作用,既能保持各层几何形状与真实形状高度一致,又具有高效、高精度的特点,能够有效模拟骨架和抗压铠装层受力、失效及层间接触.计算了8层非黏结柔性立管在轴向压缩载荷下的响应特性,结果表明:数值解与理论值吻合较好;承受压缩载荷的主要为拉伸铠装层;非黏结柔性立管抗压刚度远小于抗拉刚度;立管顶端边界条件对轴向压缩性能影响不大.     

段塞流诱导柔性立管振动响应实验分析

在气液两相循环实验系统中开展了水动力段塞流诱导的悬链线型柔性立管振动响应测试,利用高速摄像非介入测试方法同步捕捉了柔性立管的振动位移与管内的段塞流动细节,预测了气体表观流速对水动力段塞流诱导柔性立管振动响应的影响规律,分析了振幅响应、模态权重、频谱变化以及管内流动特性.结果 表明,随着气体表观流速的增大,振动幅度逐渐增...     

多级热处理对柔性立管用高强钢组织性能影响

通过对柔性立管用高强钢开展不同的热处理工艺实验并利用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜和EBSD技术等表征手段研究了多级热处理对柔性立管用高强钢显微组织、力学性能以及抗氢致开裂性能的影响.结果表明:相对调质热处理而言,多级热处理能够显著细化组织,促使析出相细小弥散地分布于组织中并提高了组织中的晶界密度,从而使柔性立管用高强钢的强度升高.多级热处理大大提高了组织中氢陷阱的数量,减小了析出相的尺寸并改善了氢陷阱的分布状态,进而提高了实验钢的溶氢能力,从而在提高实验钢强度的同时明显改善了其抗氢致开裂性能.     

基于能量法的非黏合柔性立管轴对称响应分析

给出一种在轴对称载荷作用下非黏合柔性立管响应的理论分析模型.首先基于能量法推导出柔性立管各层的平衡方程并写成矩阵形式,得到其刚度矩阵;然后将各层刚度矩阵进行组装并考虑边界条件得到总刚度矩阵,进而通过迭代求解出所有变量.该方法可自行判断柔性立管各层之间可能发生的分离并相应调整层间的接触压力,因而可以考虑轴向刚度和扭转刚度之间的耦合以及载荷施加的方向.将理论分析结果与实验测试进行了对比,二者符合良好.讨论了二者之间存在偏差的原因,结果显示柔性立管各层之间的初始间隙对此影响较大.     

考虑壅塞特性的电子膨胀阀流量特性模型

分析了电子膨胀阀内部制冷剂的壅塞流动特性,应用均相流和冷冻流模型描述电子膨胀阀的流量特性,用亚稳态特性系数建立膨胀阀质量流量计算模型,并采用某型号电子膨胀阀的实验数据与所建模型的计算值进行对比.结果表明,该模型的计算值与实测值的偏差在-8.59%~7.56%以内.     

引射模态总压比对气动壅塞影响

为了获得高亚音速飞行条件下引射模态射流壅塞情况、提高引射模态火箭射流引射抽吸能力和发动机性能,本文利用全流道一体化数值模拟方法,针对Ma=0.8飞行状态,研究了在无二次燃烧组织的条件下,主次流总压比对引射空气流量、Fabri壅塞的影响规律,结果表明：在低总压比条件下,提高主次流总压比,可提高火箭射流的引射抽吸能力,引射空气流量增大;随着总压比的进一步提高,欠膨胀的火箭射流超声速势核区会挤压引射空气流道,冲压燃烧室反压前传导致引射空气流量降低;主次流总压比高于350,火箭射流会将引射空气流道堵塞,产生Fabri壅塞,引射空气流量降低为零。     

壅塞现象法测量气粉两相流音速

实验研究了在水平等截面管道中空气-树脂粉两相流的音速.基于壅塞现象原理,提出了一种测量气粉两相流音速的新方法.得到了空气-树脂粉两相流在不同固气比下质量流量和滞止压强的关系,从而确定了发生壅塞现象的临界压强,进一步得到了临界压强比和固气比的关系式.考虑两相流连续方程确定出两相流的实际表观音速,并且与两相平衡流理论计算所得的理论音速进行了比较,仅为其0.5~0.7倍.     

电子膨胀阀制冷剂流动壅塞特性的理论与试验分析

通过对膨胀阀内节流工作段几何结构的分析,将其简化为短喷嘴结构.基于短喷嘴相关流动特性的可视化研究成果,分析了制冷剂在膨胀阀节流膨胀过程中的主要物理现象.通过亚稳态液体闪蒸形成的蒸发波以及气体动力学非连续理论,建立了电子膨胀阀壅塞机理模型.将该模型计算结果与试验数据相结合进行膨胀阀制冷剂流动壅塞特性的分析,解释了在电子膨胀阀小开度壅塞特性改变的原因,为膨胀阀生产单位提出了指导性意见.