水平管弹状流液弹频率的有限振幅界面波模型

应用分流层的平衡液膜理论和有限振幅界面波的势流理论,以不稳定界面波生长至波幅可跨接水平管上管壁为液弹形成的充分条件,导出了水平管弹状流液弹频率的计算模型．应用电导探针在内径２４ｍｍ、长度与内径之比大于６００的水平管中测量了水－空气弹状流的液弹频率．模型计算结果与试验结果相吻合．     

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。     

圆管内油—气—水三相弹状流的生成和发展

利用高速动态分析仪清晰的可视化效果。在一个宽广的流速范围内,观察了垂直上升圆管内油－气－水三相弹状流的形成和转化。将Weisman流型转化过渡区的概念应用到油－气－水三相弹状流流型的研究中,量化了弹状流转化过渡区的边界。提出的弹状流的生成转化边界、弹状流的发展转化边界,很好地包容了前人所得到的弹状流转化边界,为解释众多弹状流边界模型的不一致性,以及合理认识弹状流的特性提供了更可靠的理论依据。     

论微重力弹-环状流转换的空隙率匹配模型

对基于微重力条件下,气／液两相弹状流滑移流率关系和光滑环状流动量平衡关系的弹-环状流转换空隙率匹配模型的解的特征,进行了深入分析．发现该模型具有双解、单解和无解三种情况．由此阐明了该模型难以正确预测微重力条件下气／液两相弹-环．状流转换条件的原因在于光滑环状流动量平衡关系的非客观性．     

垂直及倾斜上升弹状流的实验研究——下降液膜

目的 研究垂直及倾斜上升弹状流中下降液膜的流动特性。方法 采用ＥＫＴＡＰＲＯ１０００型高速动态分析仪测量垂直及倾斜上升管内气液两相弹状流中下降液膜运动速度及其厚度沿Ｔａｙｌｏｒ气泡的变化情况。结果 获得了有关下降液膜流动特性的无干扰流场测量数据。结论 液膜的流动特性与管倾角、气液流速以及Ｔａｙｌｏｒ气流长度有关,其中气泡长度是最主要的影响因素,在高混合物流速下,流动趋于轴对称,此时可忽略倾角的影响     

两相弹状流中液弹及气泡合并情况的研究

对气液两相弹状流中液弹和气泡合并情况进行了研究．得出最小稳定液弹长度是液弹尾部达到充分发展的速度分布所需的长度．通过对液弹内弥散气泡的统计分析，得出稳定液弹内不存在直径大于５ｍｍ的气泡．借助流动可视化技术，对弹状流中各种尺寸气泡的合并情况进行了描述，得出小气泡之间的合并为二元式合并，而小气泡与大气泡之间的合并是非二元式合并．     

对预测垂直环空管中Taylor泡上升速度模型的评价

弹状流是管内两相流中常见的流型之一,为了研究弹状流的流动特性,有必要确定Ｔａｙｌｏｒ泡在滞止液体中的上升速度．本文对Ｓａｄａｔｏｍｉ、Ｈａｓａｎ和Ｂａｒｎｅａ预测垂直环空管中Ｔａｙｌｏｒ泡在滞止液体中上升速度的三种计算模型进行了评价分别用这几种模型的预测值与不同研究者在不同时期、不同实验条件下得到的实验值进行了全面的比较;借助于平均误差对三种模型的预测精度进行了定量分析．根据比较及定量分析结果,Ｓａｄａｔｏｍｉ模型的预测值误差较大,而Ｈａｓａｎ与Ｂａｒｎｅａ模型的预测误差相当,精度均较Ｓａｄａｔｏｍｉ模型的高三种模型均没有考虑环空管偏心度的影响,在全偏心配置的环空管中,它们的预测精度均受到一定影响．     

气液两相流中压力波传播的实验研究

在含气率为0-0.7 m/s,折算液速为0-1.5 m/s范围内实验研究了气液两相泡状流和弹状流中压力波的传播.利用压力信号分析了气液两相流中压力波传播的速度和衰减特性,证明气液两相流中压力波的传播具有色散特性,其传播速度和衰减系数受含气率和扰动角频率的影响很大,而工质的折算速度对压力波的传播几乎没影响.     

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.     

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．     

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．     

垂直管内油—气—水三相弹状流流动特性的研究

采用高速动态分析系统和光纤含气率测量仪,研究了垂直上升管内油－气－水三相弹状流流动特征的规律．实验表明,短时域内平均截面含气率是判断三相流流型的有效方法．通过改变三相流系统中的体积含水率,研究了它对液弹内平均截面含气率的影响;最后,用高速动态分析仪可视化测定了各个工况下的平均液弹长度．     

含CO2多相流相态的非均匀性对输油管冲刷腐蚀的影响

以研究含CO2多相流相态的非均匀性对输油管冲刷腐蚀的影响为目的,利用多相流环路实验装置进行冲刷腐蚀试验,并借助高速数字摄像系统观测多相流相态,考查石油多相混输管中的冲刷腐蚀与多相流的相态结构相关性.对水平管弹状流下的CO2腐蚀试验研究表明,水平管的底部较之于顶部有更为显著的冲刷腐蚀,这种冲刷腐蚀在管道上、下不同部位的差异性源于弹状流相态的非均匀分布.提出了含CO2多相流冲刷腐蚀的水动力学模型,模型计算结果表明,弹状流流型下水平管下部的冲刷腐蚀速率高于上部的冲刷腐蚀速率.水平管弹状流条件下腐蚀产物膜的磨损程度随流体速度的增大而增大.计算结果与试验观测相符,均表明多相流相态的非均匀性使管道下部更易遭受腐蚀损坏.     

水平管气水两相流分相界面识别

气液两相流中界面波动的存在,使得两相流的传热、传质及阻力特性发生很大的变化,因此对气液两相流界面波动理论和实验的研究有着重要意义.基于电阻层析成像(ERT)技术将独立成分分析和多尺度分析结合提取水平管气液两相流分相界面波动信息,通过与ERT纵断面成像时间序列的比较分析,并且经过大量的实验验证表明,对水平管气液两相流中的弹状流、分层流、波状流,该方法可有效地获得界面波动信息;对塞状/泡状流提取的独立分量呈现出高频特性,进一步结合多尺度分析可获得界面波动信息.     

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。     

水平管弹状流液膜区的流动特性研究

将一维形式的双流体模型用于水平管弹状流的液膜区，导出液膜区截面含液率随距离而变的控制方程，讨论了方程的封闭性并提出壁面和界面阻力的计算方法．对液膜区平均截面含液率的计算结果与前人的测量结果作了比较，分析了影响平均截面含液率的因素．通过对截面含液率、液相流速和气相流速沿长度变化的计算分析，首次提出液膜和气弹都是连续波．     

液体填塞流的持液率与压力降研究

以不同粘度的流体为液相，在垂直管中研究了液体填塞流（包括弹状流，块状流和泛出流）的持液率和压力降，研究结果表明，对于不同粘度的液体，填塞流的持液率都随无量纲气流体积通量的增大呈对数规律减小，总压力降随气流体积通量也近似呈对数规律变化，研究同时发现，液体填塞流的摩擦阻力压力降为负值且存在极值点，摩擦阻力压力降在总压力降中所占的百分比与气流体积通量的关系存在拐点，拐点处在应于弹状流向块状流的流型转变。     

并联管路气液两相流分流实验与数值模拟

为了研究气液两相流在并联立管中的分流状况,在实验室中建立了带有并联立管的气液两相流流动回路。建立了气液两相流分流数学模型,通过数值模拟方法对气液两相流分流进行研究。实验过程中发现了并联立管中三种不同的流动状态分别为弹状流-弹状流、搅混流-搅混流以及弹状流-搅混流。实验结果表明当并联立管中的流动状态为弹状流-弹状流时,两根立管中的压降相同,但是并联立管中的液塞排出并不具有同步性,可能产生偏流状况。在气液流速较高的搅混流-搅混流时两相流在并联立管中始终处于均匀分配状态。介于两者之间的弹状流-搅混流,并联立管中的压降产生较大的偏差,气液两相流流量更倾向于搅混流一侧流出,此时并联立管中产生严重的偏流状况。数值模拟过程中,通过对并联立管出口持液率进行监测,在较低的气液速下两相流并不能够均匀分配,但是在较高的气液速下,两相流始终处于均匀分配,可见所建立的数学模型具有良好的准确性。     

分相式气液两相流体等干度分配方法

提出一种新的气液两相流体等干度分配方法--分相分配法.该方法的特点在于,基于单相流体较容易实现均匀分配的特征,首先通过强化两相流体在分配单元内的相分离,将气液混合物分离成单相或接近单相的气体和液体,然后以单相流的形式分别进行分配,最后将分配后的单相气、液进行两两汇合,完成两相流体的等干度分配.在空气一水实验回路上对这种分配方法进行了实验研究,结果表明,在分层流、波状分层流、弹状流和部分环状流的情况下,气液两相流体均能在分配元件内得到较好分离,保证在单相或接近单相的状态下进行分配,支路与主路间的平均干度偏差小于1.6%.     

水平管泡状流强制扰动下的空隙波特性

在水平透明玻璃管内以空气和水为流体介质研究了强制扰动下气-液两相泡状流空隙波的特性,应用高速摄影仪和电导探针,对不同扰动频率下空隙波的不稳定性和波速进行了观察测量.研究结果表明,空隙波对于外界周期性扰动具有频率选择特性,随含气率的提高,扰动传播的衰减减慢,流动不稳定性增加.对应于一定的扰动频率,空隙波有不同的速度概率分布,呈现色散特性.空隙波的波速概率分布在两相混合流速处出现峰值,向两侧加速递减,与高斯分布接近.