爬坡管段油水两相界面波动特性数值模拟研究

针对成品油管道低洼处积水排除问题建立了爬坡管段油流携水数值模型,对爬坡管段油水两相界面波动特性进行了数值研究,并实验验证了数值模型的准确性。对模拟结果进行了后处理,采用相关性分析计算出界面波的波速,研究得出不同油相表观流速、管道上倾角、油品物性以及管道直径等因素对相界面波动参数(波长、波振幅、波周期、波速)的影响规律,为进一步解决管道低洼处积水排除问题提供了理论指导。     

倾斜圆管内气液两相分层流界面的稳定性分析

<正>l 弓l言 气液两相流分层流界面波特性及界面稳定性分析对理论和应用具有重要意义.50年代,Banjamin”’、Miles”’和 Hanratty’‘’“开始了此方面的研究.以往研究中,均采用 Jeffreys”’的方法,即利用液相动量方程的积分形式,气相的影响只作为液相动量方程的边界条件.另外也有研究者从N-S方程出发,通过对实际问题的适当简化以研究界面稳定性”‘. 本文利用双流体模型研究了倾斜圆管内气液两相分层流的界面稳定性,系统研究了管道几何条件及流动状况对稳定性的影响.2 数学模型 对如图1所示的倾斜管内分层流,假定两相间不存在热量传递和相变过程,其一维双流体流动模型为”-“ ～r 入八人）乃t十别八U。人）/肚一0（I） ltw 8（pkA。U。）/9 t + 3（pkA。厂。ZtZ）/sx 、_/.\—一,。J。士。/;+八。A。slip J>>一二卜 卜。二.t 一洪人八）/gx+AdA/a工（2） 一人二二>二v抑Q厂二厂了 式（1）、式（2）中k—l或g,当k—g时,取 pry——“一”号,k—l时贩“十”号.素流速度分布均 匀,厂。一 l“’‘;层流根据液膜内速度分布可知, 图 1 分层流示意图——”———一’—””—””——～ 八一4/3““二 气液两相静压项用文献〔幻的方 F。Ic0d屯＊r＊donof盯r＊1m叨n0w”‘’-’“‘一‘””—’““——一‘一     

水平圆管固液两相稳态流动特性数值模拟

水平井油水流动特性是设计产液剖面测井方法和建立解释模型的重要依据,当油水中携带沙颗粒时,其流动特性变得更为复杂。通过基于Eulerian描述方法的混合代数滑移模型（MASM）,建立挟沙水或油混合相控制方程和边界条件,并且使用有限差分方法和逐次超松弛（SOR）迭代法建立数值解,以模拟水平井挟沙水或油混合相的各运动特性参数分布。模拟结果表明,主流速度分布随着颗粒相体积分数增大有向下偏移特点,并随着压降值降低而减小。水平井圆截面上颗粒相体积分数分布特征主要与主流速度有关,随着速度降低,体积分数分布值向下向两侧增大。此外,挟沙油混合相主流速度大于挟沙水混合相速度。混合代数滑移模型不仅能够很好地模拟混合相各运动特性参数分布特征,而且计算效率比较高。     

水平管气力输送的数值模拟研究

对气体相湍动能采用修正的k-ε二方程模型,颗粒相湍动动能采用颗粒动力学方法,考虑两相间的相互作用,发展建立了水平管气力输送的数学物理模型和计算方法.该模型能计算颗粒相压力、粘性系数、扩散系数、导热系数、颗粒温度等流体力学特性参数.用文献实验得到的压降和转捩速度验证了所建模型和计算方法的正确性.就水平管中圆柱坐标系下典型的三维悬浮气力输送过程进行了初步数值研究,得到了管道沿程压降、平均气体速度、平均颗粒速度和平均颗粒浓度的变化、以及输送方向上不同截面处的颗粒浓度分布.结果表明:在给定的输送条件下,颗粒在管中并不总是维持同样的悬浮状态,在入口和快速加速度段,悬浮颗粒易集中于管中心区域,从加速段到恒速段,悬浮颗粒逐渐向管底沉降;颗粒浓度在管截面上有两种分布状态.为进一步利用该法研究气力输送打下了基础.     

油水两相变径管流动模拟研究

油水两相混合流动是输油管路中经常遇到的流动现象,其流动规律研究具有重要的科学价值和广泛的工程应用价值。利用FLUENT软件对油水两相流在变径管中的流动进行模拟发现,管路内压力、速度在管径突然变化的区域有明显变化,且随含油量的不同其变化程度也有所不同。通过模拟分析突变管内油水两相流动规律,为实际油品输送提供一定的参考依据。     

水力旋流器内油水两相流的数值模拟

油水分离旋流器是一种利用油水两相液体之间的密度差,通过离心力的作用将分散相从连续相中分离出来的设备。影响旋流器分离效率的结构参数和操作参数很多,如果完全通过实验来优化这些参数,其工作量是非常大的。利用计算流体动力学CFD程序对旋流器油水两相流场进行数值模拟分析,得到了旋流器内部流场的速度分布特性,为其结构筛选和尺寸优化提供了依据,同时可减少实验工作量。     

竖直圆管内超临界甲烷冷却换热数值模拟

应用Lam-Bremhorst低雷诺数湍流模型对超临界甲烷在竖直管内的冷却传热进行了数值模拟,研究了质量流量、热通量、流动方向及密度变化对传热系数的影响。结果表明,竖直圆管内超临界甲烷冷却传热系数随质量流量的增加而增加;在似气体区传热系数随热通量的增大而增加,而在似液体区热通量对传热系数几乎没有影响;流动方向在似气体区对传热系数几乎没有影响,而在似液体区上升流的传热系数大于下降流的传热系数;密度变化在似气体区使传热系数增加,而在似液体区使上升流的传热系数增加,使下降流的传热系数减小。     

水滴型凸肋通道内流动换热的数值模拟

通过三维数值模拟方法,研究了水滴型凸肋通道内的阻力和换热特性,并重点考察了尾缘角度对特性的影响。工况为Re=100～700,尾缘角度=25°、30°、35°和60°。结果表明:水滴型凸肋通道的流阻比圆柱型的小,换热性能比圆柱型的好,具有更好的综合性能。对于水滴型凸肋通道,尾缘角度对流阻的影响相对不明显,而对换热的影响较明显。不同Re下水滴型凸肋通道综合性能的最优解不同,当Re=400～700时,30°为最优,当Re=100～400时,60°为最优。     

弯管内部油水两项流的数值模拟

在油井出油管道以及石化生产中,油水两项流是非常常见的现象。为了减少能耗、便于制订防腐措施,利用GAMBIT软件建模以及FLUENT软件的可实现模型对弯管中油水两项流的压力场和速度场进行模拟。结果表明,管内入口直管压力呈逐阶减小趋势;弯管内壁出形成低压区且又内向外逐渐增大;而速度分布正好与压力分布规律相反,恰好与自由涡流理论的模型相符。且通过对油水两项所占体积分数分别为30%、50%、80%三种情况的模拟得出,由于水密度大于油的原因,随着油相体积分数的下降,管内整体压强减小,整体速度增大。     

不同操作参数下动态水力旋流器内部油水两相流动的数值模拟

根据计算流体动力学(CFD)的方法,应用Fluent软件对动态水力旋流器内部油水两相流场进行数值模拟,考察了不同入口流量及转筒转速下旋流器内速度场与油水两相的分布情况。结果表明:动态水力旋流器内切向速度呈双涡结构(准自由涡与准强制涡);轴向速度明显小于切向速度且不存在零速度包络面,油相集中于旋流器轴心形成油核,随着流量及转速的增加,各相速度及中心油核浓度均增加。     

空气钻井环空气固两相流动规律数值模拟

基于FLUENT软件中Euler模型,采用有限容积法建立了空气钻井环空气固两相流三维计算模型,分析了压力分布规律、流体分布规律、浓度分布规律。研究表明,从井底到井口压力逐渐降低;速度在钻铤内逐渐增大,在交界面处迅速降低,而后在钻杆内呈现增大趋势,岩屑速度在整体环空内逐渐降低;在交界面处形成漩涡,对岩屑进行了不同程度的清洗;同时空气浓度达到最大值、岩屑浓度为最小值;随着入口空气的逐渐增加,空气速度、岩屑速度变化率逐渐增大,而交界面处高空气浓度、低岩屑浓度区域逐渐增大,能较大程度的清洗岩屑。     

Z形管不同位置泄漏的数值模拟

油气管道的泄漏易引发重大的安全事故并造成巨大的经济损失,特别是我国有些地区管网运行已有30多年,发生泄漏几率很大.及时发现管道泄漏事故并作出合理的解决方案,对控制事故的发展和减少由此带来的损失有着重要的意义.利用CFD仿真软件和有限容积法借助多相流VOF模型,研究了上下两个弯头的Z形管不同漏点的复杂工况,考虑了重力的影响,对其压力场进行了数值模拟,并对不同位置漏点对泄漏的影响做出了理论分析.     

含煤粉的煤层气T型管道颗粒分布特性

煤层气开采过程中,煤粉不可避免地进入集输管网,进而形成气固两相流动。基于湍流模型,采用FLUENT模拟软件计算广泛应用于煤层气集输管网的水平T型弯管的流场,得到气体和煤粉的速度场分布及各出口煤粉浓度,并分析管道分支处煤粉在气流扰动下的浓度分布,结果表明:气流经过支管后,部分煤粉滞留于管壁,支管两侧管壁煤粉浓度相差较大,各出口煤粉排出量也存在差异。     

分支数目对鱼骨刺水平井产能的影响研究

鱼骨刺水平井具有增大泄油面积、降低钻井数、可利用已有井、节省油田开发成本的特点,尤其是针对边际油田开采具有突出的优势。鱼骨刺水平井的形态结构十分复杂,因此数值模拟研究对指导实际鱼骨刺水平井生产具有重要意义。采用差分法对鱼骨刺水平井的描述与实际条件差距较大,这是目前鱼骨刺水平井数值模拟理论研究存在的难题之一。在二维油水两相模型的基础上,运用有限元方法,对油相压力和水相饱和度的有限元方程进行了推导求解。针对二维平面渗流问题采用混合单元有限元法,利用线单元描述鱼骨刺水平井井筒,用任意形状的三角形单元来描述地层。对不同分支数目的鱼骨刺水平井进行了数值模拟研究。分析了鱼骨刺水平井不同分支数目的渗流规律。通过分析比对含水率、日产油量、累积产油量的动态曲线,得出分支数目的增多对鱼骨刺水平井的见水时间和含水率的影响不大,但对开采前期鱼骨刺水平井的增产却效果明显,随着开采时间的增加,后期累积产油量增加比例相差不大。     

顺序输送混油规律的数值模拟

基于CFD中多相流（VOF）模型,采用有限体积法,建立了重油前轻油后及重油后轻油前顺序输送}昆油模型。以柴油和汽油为例,分别在0°、30°、45°、60°及90° 5种管道倾角情况下进行了数值模拟。研究表明：柴油前行,随着倾角的增加,混油带逐渐增加;汽油前行,随着倾角的增加,混油带逐渐缩短;柴油前行的混油带大于汽油前行的混油带;实际生产中,对于不同倾角管道顺序输送宜采用轻油在前、重油在后的顺序。     

架空含硫天然气管道泄漏扩散数值模拟研究

建立了架空管道泄漏扩散过程控制方程,并对架空管道发生穿孔时的稳定泄漏和非稳定泄漏过程进行数值模拟,分析了泄漏口流速,及风速对气体扩散规律的影响,并给出了不同工况下甲烷的爆炸极限范围及硫化氢中毒范围,确定了实施营救的最佳时间.     

加载阻流器海底管道自埋效果的数值模拟

为了避免波浪、潮汐、海流等外载荷力的作用,海底管道通常需要进行埋设,一般采用的埋设方法需要用到机械设备,为了保证经济性,英国北海首次采用了在管道上方加载阻流器的方法来实现管道的自埋,并取得了良好的经济效益和环保效果,我国首次应用此技术是在杭州湾海底管道的铺设中,为保证该技术得以广泛应用,在介绍管道自埋机理的基础上,应用流体力学软件FLUENT对有无阻流器的海底管道进行数值模拟,依次将海床假想为固壁及实际泥沙海床两种情况,模拟得出这两种条件下的壁面海床剪应力、管道外表面压力系数、管道正下方水流流速以及管道下方的冲刷坑形态等数据,从而对比说明阻流器的加载对管道自埋的促进作用。阻流器的加载会导致管道上部压力系数增大,引起升力系数下降,也会使得管道底部水流流速增大,引起固壁海床剪应力增大,泥沙海床冲刷坑也明显加深,在自重的作用下,管道的下沉速度较快,从而实现自埋。     

管式离心机固液两相流场的数值模拟

简单介绍了管式离心机的主要技术状况、不足及FLUENT软件;在简化的基础上,从单一相连续方程入手建立了管式离心机内的固、液两相流动数学模型,通过计算网格划分和边界条件的确定,用FLUENT二维数值模拟了该机内的两相流流场及随时间变化的分离状况,得出了直观的机内不同截面上的速度分布及分离颗粒的体积分布云图。模拟结果符合该机的运行规律,为进一步深入研究奠定了基础。