水平弯管内水合物浆的流动特性

 为了掌握水平弯管内水合物浆的流动特性,采用基于颗粒动力学理论的欧拉双流体模型进行建模研究,其中RNG k-ε 模型用于模拟湍流运动,液固两相间的曳力体现相间耦合作用。结果表明,弯头处出现了明显的二次流现象,且速度最大值分布在偏向内侧横截面上;颗粒增大了管内水合物浆湍动能,并使弯曲段的浆液湍动能分布更均匀,弯管和水合物的存在对压能损失产生影响。在相同的水合物体积分数下,浆液压力梯度随平均流速的增加而增大;在相同的流速下,浆液压力梯度随水合物体积分数的增加出现了缓慢增长区、过渡区和快速增长区。为了对堵塞风险进行有效预警,除了考虑平均流速等因素,还需要从水合物生长过程中微观特性变化的角度对压降分区和流变多样性进行探索。     

天然气水合物输送管道的压力损失规律

为了研究海底天然气水合物绞吸式开采水力输送系统中管径、流速、体积分数和颗粒粒径对输送系统压力损失的影响规律,确定各参数的合理选择范围;建立输送管道三维流场模型,采用控制变量的方法,运用计算流体力学理论和Fluent仿真软件对输送管道内固液两相流场进行仿真分析。研究结果表明:输送系统压力损失梯度随管径的增大而减小;当管径增大到0.4 m时,继续增大管径对压力损失梯度影响越来越小;压力损失梯度随浆体流速的增大先减小后增大,存在1个最优流速,在2.5～4.0 m/s之间,且颗粒粒径和体积分数越大,对应的最优流速就越大,压力损失梯度随体积分数的增大呈线性增大;压力损失梯度随着颗粒粒径增大而增大,但增大幅度很小。     

高压天然气水合物生长动力学及浆体黏度特性

为探究油气混输管道中天然气水合物的生成及流动特性,得到实际混输管道天然气水合物浆液的安全运行规律。运用高压天然气水合物实验环路,进行了油水乳液体系天然气水合物浆液流动实验。通过控制变量法研究了不同初始压力、初始质量流量与加剂量对天然气水合物生成诱导时间、管内浆液表观黏度、密度以及水合物体积分数等的影响,结果表明：初始压力越高,水合物生成诱导时间越短,由初始压力5.3 MPa下的1.47 h缩短至6 MPa下的0.71 h,缩短了约51.7%,水合物在生成过程中反应越剧烈,不利于运输的安全;初始质量流量越大,水合物生成诱导时间越长,由初始流量895.3 kg/h下的0.76 h增加到1 414.6 kg/h下的0.90 h,增加了约18.4%,表观黏度波动幅度越小,运输过程越平稳安全;增大阻聚剂的加剂量对水合物诱导时间影响较小,但水合物大量生成阶段现象越平稳,水合物生成后管内水合物体积分数越小,浆液输送性越好;在流动过程中若流速下降,压降反而增加,则说明水合物体积分数的聚并很明显且管内浆液表观黏度很大,管道堵塞风险较大。     

天然气水合物垂直管内流动特性的数值模拟

为了研究深水天然气水合物浆液开采管中水力提升的理想工况,对开采管中浆液的速度、体积分数、颗粒粒径和颗粒密度各参数划分12组,基于Fluent软件中欧拉双流体模型,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型,对水合物颗粒在管道中的黏度变化编制UDF,并对上述方案进行数值模拟,对比模拟得到水合物颗粒体积分数值与文献试验值,相对误差小于20%,该模型可行.结果表明:管道提升速度越大、浆液体积分数越小、颗粒粒径越小、颗粒密度越小对于水力输送越有利.因此,在满足系统安全性要求的同时考虑经济因素,对于直径300 mm的水力提升管,建议提升体积分数取20%,颗粒粒径取0. 01~0. 02 m,提升速度和颗粒密度分别控制在1. 4~1. 8 m·s~(-1),1 020~1 190 kg·m~(~(-3)),此时提升情况理想,系统具有一定的可靠性.     

HCFC-141b水合物在管道中形成及堵塞实验研究

为了研究水合物浆在管道中的安全流动,在低温室中搭建了内径为42 mm、长为30 m的不锈钢实验环道,借助于实验环道进行了一氟二氯乙烷(HCFC-141b)水合物在管道中的形成以及堵塞实验.在水过量的条件下,管道中的水合物形态有浆状水合物和泥状水合物两种,在二者的过渡区,水合物的体积分数为30%-40%.管道中水合物的颗粒粒径在154--450μm之间,而且随着水合物含量的增加,平均粒径逐渐增大.当水合物体积分数达到70%时,管道被完全堵塞.当管道中出现泥状水合物后,随着水合物含量的增加,水合物在管道中的聚集加剧,会很快造成整个管道堵塞,因此在运行过程中应避免泥状水合物的出现.     

天然气水合物开采管道水力提升数值仿真分析

针对天然气水合物深海开采系统中管道的水力输送过程分析以及参数选择等问题,提出此系统的垂直提升硬管中管径、浆体流速、矿物密度、颗粒粒径和体积分数各参数及其范围,列出14种方案并以上述参数为依据划分为4组,基于FLUENT软件中的Eulerian模型,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型对上述方案进行数值仿真和分析。研究结果表明:颗粒在垂直管道入口附近处体积分数高,往出口方向体积分数降低,且颗粒向中心聚集;浆体流速为中心区域大,略大于浆体进口流速,管壁附近小,接近于0 m/s;由压力损失、阻力损失与效率的关系,结合仿真数据分析得到的最优方案是管径为300 mm、浆体流速为1.65 m/s、矿物密度为1 190 kg/m~3、颗粒粒径为10 mm、体积分数为25%;在一定范围内,管径大、流速低、矿物密度小、颗粒粒径小、体积分数高对于天然气水合物管道水力提升有利,矿物密度对输送系统影响最大、颗粒粒径对输送系统影响最小,对工况的选取提供理论依据。     

超临界CO_2输送管道中水合物颗粒运动模拟

CO_2管道输送是CCUS技术的必要环节。我国CCUS项目中CO_2主要来源于碳捕集技术,CO_2流体中存在各种杂质。含杂质超临界CO_2的特性,使得管道运输超临界/密相CO_2存在较大风险。本文基于延长油田液态CO_2管道输送可行性研究,探讨水合物颗粒运动特性。使用FLUENT数值模拟软件中DPM模型,探究水合物颗粒在超临界/密相CO_2的水平输送管道、不同倾角斜直管道中的运动。结果发现水合物颗粒流动主要受CO_2流体湍动作用的影响,造成水合物颗粒在整个管壁的碰撞,从而形成对管壁的冲刷,其运动受粒径、体积分数影响较小。对斜直管道的计算结果表明大倾角管道对水合物颗粒运动的影响较大。     

颗粒组分特性对扬矿硬管输送速度的影响

对颗粒组分特性与扬矿硬管输送速度之间规律进行研究。理论分析与试验研究结果表明:单颗粒垂直管道输送时的滑移速度即为其沉降速度,当输送水流速度继续增大到超过了沉降速度后,滑移速度逐渐减小;对于同级配的固体颗粒,输送速度随着体积分数的增大而增大,当固体颗粒体积分数达到某一值后,输送速度增大的趋势减小;颗粒级配不同对体积分数的影响是不一样的,大颗粒级配占优势时输送速度大,小颗粒级配占优势时输送速度小。     

Al2O3-H2O纳米流体管内流动特性数值模拟

采用数值模拟的方法研究了柱状管内Al_2O_3-H_2O纳米流体低流速的流动特性与换热机理.重点探究三维开口系稳态模型在不同体积分数的纳米颗粒情况下,对流动速度场和温度场的影响以及流动过程中的压降变化,并分析了Al_2O_3纳米颗粒对流动过程中的整体换热的影响.数值模拟结果表明:对于给定的入口流速,随着体积分数的增大,纳米流体各处温度、流动速度明显趋于一致,换热效果增强;压降梯度上升;纳米颗粒的布朗运动是影响换热与流动的主要因素,由于颗粒布朗运动的扰流与混合,各微元状态相互联系增强了流动均匀性.     

多相混输管道水合物生成及其浆液输送

根据经典的理论研究,依托良好的实验条件,对多相混输管道水合物生成及其浆液输送规律进行研究。结果表明:综合结晶本征动力学传热与传质所建立的水合物壳双向生长模型能有效预测油水乳状液下水合物生成过程中的气体消耗量;在高压水合物生成实验环道上,借助FBRM(颗粒粒度分析仪)和PVM(颗粒录影显微仪)设备可探究水合物生成过程中颗粒/液滴的分布规律;考虑到多相混输管道水合物浆液的输送安全性,流动须满足"最低安全流量"的要求;在高压水合物生成实验环道上,可直观研究不同含水率下天然气-水合物浆液的流型特点。     

含水合物阻聚剂的水合物浆液流动特性实验研究

水合物浆液技术作为一种新型油-气-水多相安全混输的方式逐渐受到油气生产和集输部门。利用一套近中试规模的模拟水合物循环管路,研究了在水合物阻聚剂存在条件下,不同初始含水率(20.0%~30.0%)水合物浆液的流动特性。实验结果表明,随着水合物颗粒的形成,体系流量伴随着波动逐渐下降,最终趋于稳定;而体系压差呈现先剧烈增加,而后逐渐下降并趋于稳定的趋势。与初始原料气组成相比,水合物浆液形成后体系内平衡气中轻烃组成存在不同程度的富集,从而导致平衡气水合物生成条件曲线向着低温高压区域偏移。由水合物浆液宏观形态演化过程可知,随着水合物颗粒的形成,原有的油水乳液结构遭破坏,最终形成的水合物浆液为固(水合物)-液(柴油)分散体系。另外,由不同时间(2 h、4 h和8 h)的停输/重启实验可知,水合物浆液表现出明显的触变性流体特征,且随初始含水率的增加,其触变性特征愈明显。     

环管反应器内液固两相流的数值模拟

为了对环管反应器内液固两相的流动形态进行研究,建立以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型。在浆液流速远大于自由沉降速度的情况下,模拟不同浆液入口速度时的环管反应器上升段压力降,同时对管道内液固两相流中的一些重要参数进行数值研究：在入口液固两相体积分布均匀的情况下,环管反应器上升段、弯管段以及下降段液固两相体积分布和液固两相速度均不一样,在弯管段由于离心力引起管道内二次流,使得固相颗粒甩向弯管的外侧壁,引起固相体积分数在弯管外侧壁明显增大,管道内固体颗粒相分布不均。在浆液速度v=3m.s-1时,液相和固相的速度有一定的速度差,随着入口速度增大,速度差变小;当浆液速度v=7m.s-1时,固体颗粒相速度分布与液相速度基本相同,两者之间的滑移速度可以忽略。计算结果与传统经验公式的比较表明模型能有效地描述环管反应器内压力降和反应器内浆液流动形态。     

油气藏流体水合物浆输送技术研究进展

在油气藏流体中加入新型抑制剂,使其中的天然气生成水合物,并悬浮在油气藏流体中,流体以水合物浆的形式进行输送,可以解决管道的流动保障问题。水合物颗粒引起流体特性的变化,给管道输送带来了复杂性。从水合物浆的相平衡、抑制剂、流动特性、堵塞预测及解堵四个方面,对国内外油气藏流体水合物浆输送技术的研究进展作了归纳。介绍了国内外主要研究机构在研究中使用的方法、设备,以及取得的成果,提出了国内在水合物浆输送研究方面将来的努力方向。     

纯水体系下水合物的生成及堵塞实验研究

为了保障水合物浆液在管路中安全流动，开展了CO₂水合物生成及堵塞实验，探究纯水体系下CO₂水合物生成到堵塞管路的形态变化以及系统压力、泵速等因素对水合物浆液流动形态的影响。实验结果表明，（1）在纯水体系下，管道中水合物呈浆状和泥状两种形态，且CO₂水合物从生成到堵塞管路时间较短。（2）实验过程中，临界泵速为35 Hz；当泵速大于35 Hz时，水合物在管输过程中不会发生堵塞现象；当泵速小于35 Hz时，在系统压力相同的条件下，随着泵速的增加，水合物发生堵塞的时间延长。（3）同一泵速条件下，随着系统压力升高，水合物发生堵塞时间缩短；且系统压力为3.4 MPa时，水合物发生堵塞的时间为2 100 s；系统压力为2.4 MPa时，水合物发生堵塞的时间为6 225 s。     

水平管入口段内水煤浆流动特性数值模拟

以Eulerian多相流方法为基础建立了水煤浆流动的液固两相流体动力学模型,并对水平管入口段内水煤浆流动进行了模拟.模型采用颗粒动理学理论求解固相本构方程,采用RNGk-ε湍流混合模型描述颗粒间具有强烈作用的两相湍流流动.针对水煤浆中煤粉颗粒的双峰分布特性,将煤粉看作2种大小不同的固相,同时考虑固相与液相、固相与固相之间的动量交换.模型有效性通过Kaushal等试验结果和水煤浆的压降试验验证.通过模拟考察了入口段内速度及浓度分布过程和入口段长度的变化规律.结果表明:重力和颗粒间的相互作用对浓度和速度分布过程具有重要影响;固相体积分数在30%~49.5%范围内,入口段长度随浓度的增加而减小,随平均流速(0.2~5.0m/s)先增加后减小.     

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.     

粒度对浆体管道输送稳定性的影响

针对长距离浆体管道输送过程中存在着输送稳定性的问题,分析了管道输送的主要影响因素,运用实验的方法论述了颗粒级配对浆体输送稳定性的影响.结果表明管道输送选用的颗粒级配是否合理是非常关键的,它的优化将影响一系列管道输送参数,优化浆体的粒度组合,可减小粗颗粒的沉降速度,以制止其分选沉降,从而提高浆体的输送稳定性.因此,选用合理的颗粒级配作为浆体的输送粒级是可行的,也是安全可靠的.     

高浓度超细全尾砂充填料浆管道输送阻力模型

 为准确计算某矿山高浓度超细全尾砂充填料浆管道输送阻力损失,在固-液两相流理论的基础上,综合全尾砂充填料浆管道输送阻力影响因素,通过因次分析法构建高浓度超细全尾砂充填料浆管道输送阻力模型。运用计算流体动力学方法（CFD）研究充填料浆体积浓度、流速、管道直径、固体混合料密度等因素对管道输送阻力的影响,得到360 组管道阻力损失值;采用最小二乘法回归计算管道输送阻力模型系数,并抽取4 组常用工况点对计算模型进行误差分析,根据回归系数显著性检验方法,得到各因素的影响程度关系。计算模型结果与泵送环管实验的误差在5%左右,能满足本矿山充填系统设计需要。