弯管体系内浆液流动分析

针对弯管系统中易在弯头处出现水合物堵塞的现象,以弯管系统中水合物浆液输送过程为研究对象,通过数值模拟对影响弯管系统中水合物颗粒最大体积分数的2个因素(颗粒直径、管径)进行了分析。结果表明:当水合物浆流速较小时,弯管系统中水合物最大体积分数受粒径的影响较大,即随着粒径的增大,水合物的最大体积分数趋近迅速增大的状态,而当浆液流速较快时,水合物最大体积分数受流速影响较大;管径的增大可以减小水合物颗粒直径对弯管系统中水合物最大体积分数的影响,到管道直径达到200 mm时,水合物颗粒直径的变化几乎不会影响水合物最大体积分数。研究结果为水合物浆液混输领域的发展提供理论依据。     

水平管道水合物浆液流动特性的数值模拟

基于欧拉双流体模型,结合颗粒动力学理论,研究不同水合物颗粒体积分数、不同流速下非均匀颗粒水合物浆液流动过程中水合物颗粒聚集行为、流动压降及浆液速度分布。结果表明:浆液流动压降主要受流速影响,速度越大压降越大。颗粒体积分数在20%—35%,压降变化很小,当颗粒体积分数达到55%时,压降明显变大。水合物颗粒聚集程度随流速增大而降低,低水合物颗粒体积分数下,颗粒聚集呈悬浮状。随颗粒体积分数增大,水合物颗粒呈堆积状聚集,易造成管道堵塞;水合物浆速度梯度随颗粒体积分数增大而增大。随流速增大,速度由非对称变成对称分布,出现较大的速度梯度。保障水合物浆稳定安全流动存在一个临界颗粒体积分数和经济流速。数值模拟为水合物浆液管道输送技术的研究提供理论参考。     

基于OpenFOAM的竖直管内气-液-水合物流动特性研究

针对天然气水合物开采过程中涉及的复杂气液固三相流动问题，基于群体平衡模型，提出了新的水合物颗粒聚并破碎模型组合，同时考虑了气泡的聚并破碎行为，运用开源CFD软件OpenFOAM对建立的模型进行求解验证。考察了入口流速、气相和水合物颗粒体积分数对竖直管内气-液-水合物流动特性的影响。结果表明：所建立的模型准确有效，各相的浓度分布、气泡的平均粒径径向分布和水合物颗粒平均粒径大小受水合物颗粒体积分数的影响很大，压力损失梯度随着流速的增加先减小后增大，存在特定工况下的最优流速，气相体积分数的增加会让管内流体的压力损失梯度明显减小。     

基于Ansys Fluent及正交试验的90°弯管冲蚀影响因素分析

管道系统在物料运输过程中,受固体颗粒的冲蚀,常导致管道弯头失效。应用Ansys Fluent软件进行90°弯管冲蚀模拟,得出入口流速、颗粒质量流量、颗粒粒径、管道直径、弯径比均会影响90°弯管冲蚀率。采用正交试验方法分析得到冲蚀影响因素主次顺序为:入口流速颗粒质量流量弯径比管道直径颗粒粒径;通过方差分析得出,入口流速、颗粒质量流量对弯管冲蚀率的影响高度显著,入口流速、颗粒质量流量、颗粒粒径间交互作用不显著。     

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,建立了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,模拟了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了数值研究: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存在而引起管道内二次流,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 =3 m·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 =7 m·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.     

CO2水合物在管道中的生成及堵塞特性

为明确CO₂水合物在管道中的流动及堵塞特性,通过高压可视水合物环路研究了不同持液量下的水合物生成及堵塞特性,研究结果表明：水合物生成诱导时间随着持液量的增大出现非线性变化,呈V形,先减小后增大;管道持液量越大,水合物生成量越少,水合物发生堵塞时的临界体积分数降低,如在持液率86.6%下,堵塞时水合物体积分数为4.32%,持液率为66.7%时,堵塞时水合物体积分数为7.45%。通过可视管路发现当CO₂水合物大量生成后,管道中压降将突然增大,颗粒之间快速聚集生长,流速迅速降低,CO₂水合物快速充满管道使管道发生堵塞,水合物颗粒不断生长及在聚集层处的聚集导致流动阻力的增加是其产生堵塞的根本原因。研究结果可为CO₂水合物浆液流动保障提供技术支撑。     

四氢呋喃水合物浆流动特性

利用实验环道进行了水合物颗粒体积分数为0～65.2%的四氢呋喃(THF)水合物浆的流动实验。管道生成四氢呋喃水合物后,水合物浆的压降梯度随着流速的增加而增加;随水合物体积分数的变化存在一个临界体积分数,当管道中的水合物体积分数小于临界值时,压降随体积分数的增加而出现很小的增加,管道中水合物呈稀浆状,浆体为牛顿流体;当管道中体积分数大于临界值时,压降梯度随体积分数的增加急剧增加,管道中水合物呈泥状,浆体为Bingham流体。临界体积分数随着浆体流速的增加而增大,在0.5～3.5m/s的范围内,临界体积分数为39.4%～50.4%,文中回归了泥状水合物的屈服应力及表观黏度。并根据水合物浆的流动特性分段回归了水合物浆在管道中流动的压降计算公式,实验验证表明回归的计算公式可以比较准确地计算管道中水合物浆流动的压降,可以为THF水合物的流动及其它水合物浆的流动提供指导。     

气水体系甲烷水合物生成和分解动力学

为进一步探明搅拌对甲烷水合物生成和分解动力学特性的影响,借助容积约为522mL,最高操作压力21MPa的高压全透明反应釜装置,开展了不同搅拌条件下甲烷水合物的生成、分解和浆液流动实验,得到了搅拌对水合物生成量、生长速率和分解速率的影响规律,基于搅拌电机扭矩值分析了不同搅拌速率下水合物浆液的流动特性。搅拌电机型号ViscoPakt Rheo-57,带有扭矩测量功能,测量最大范围57N·cm,精度±0.04N·cm。结果表明：在水合物开始快速生成的前期,水合物的最大生成量、最大生长速率及平稳生长速率都随搅拌速率的增大而增大,进一步验证了传质是控制水合物生成过程的首要因素;在水合物分解阶段,搅拌能提高水合物颗粒的分散性,促进分解气的运移产出;此外,不同搅拌速率下,水合物浆液的电机扭矩随着水合物体积分数的增大都呈现先保持平稳再逐渐增大最后剧烈波动的规律,由此得到了水合物浆液携带固相颗粒的临界体积分数。研究结论在一定程度上揭示了水合物的生长和分解机理,为动力学预测模型研究提供了参考。     

基于OpenFoam水合物浆液流动沉积研究

为了保障深海水合物工业化开采输运管道的安全运行,文中通过耦合双流体模型、界面面积输运方程及管内对流换热方程,综合考虑水合物相变和沉积保温,研究多种因素对水合物浆液输运过程造成的堵塞风险。基于实际生产工况探究不同倾角和流速对管道内水合物浆液流动沉积特性的影响。结果表明：随着管道倾角的增大水合物沉积风险先增大而后减小,随着流速增加,水合物沉积开始区域不断发生变化,最大堵塞风险区域不断向出口处移动,管段中后部是堵塞的主要区域。数值模拟与相关实验结果吻合良好,可为水合物浆液流动安全保障提供理论支持。     

管道流动体系中水合物颗粒粒径分布特性数值模拟

研究管道内水合物颗粒的粒径分布特性对深水流动安全保障具有十分重要的意义。为模拟管道流动体系中水合物颗粒的粒径分布特性,本文首先建立了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地刻画管内水合物颗粒的流动行为。随后,根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用FLUENT 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟水合物颗粒初始粒径分布、水合物体积分数、管内流速和水合物颗粒初始粒径大小对管内水合物颗粒粒径分布类型及分布规律的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物防治技术的发展提供技术支持。     

基于群体平衡理论的管内水合物浆流动特性数值模拟

水合物浆的流动特性对深水油气管道的流动安全保障和水合物法气体储运的工业推广具有重要意义。目前已有的水合物浆液流动特性数值模拟方法存在较多的缺陷及不足,为此本文引入了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地描述管内水合物颗粒的流动行为。根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用Fluent 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟流速及水合物体积分数对水合物浓度分布、水合物颗粒粒径分布和流动压降等水合物浆流动特性的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物浆技术的规模应用提供借鉴。     

沈阳工业大学科研成果介绍电催化氧化有机废水处理设备

为研究集输管道弯管应力集中区域的冲蚀现象,以30°弯管为例,先运用应力分析软件探求弯管应力集中区域;再运用CFD软件对应力集中处的冲蚀现象进行仿真模拟,通过改变入口流速、颗粒的粒径及质量流率,分析冲蚀速率的变动规律。结果表明:弯管应力主要集中在拐角处,且应力集中处的冲蚀区域呈“O”型分布;随入口流速、颗粒粒径及颗粒质量流率的增加,冲蚀速率均呈递增趋势,但不同粒径范围,其增加的速度并不相同,且颗粒质量流率的影响程度要略大于入流流速;弯管拐角外壁面同时承载压力、应力及冲蚀作用,而拐角内侧壁面压力及冲蚀均较低,因此拐角外壁面的破坏概率远大于内壁面,加强拐角外壁面的防护尤为重要。     

水平90°弯管内盐泥浆输送压力损失研究

为得到盐泥浆在水平弯管内输送过程中的压力分布规律，探究管道直径、输送速度、输送浓度对压力损失的影响，对盐泥浆在水平弯管内的流动状态进行三维数值模拟，采用仿真与实验相结合的方式，分析了管道直径、输送浓度和输送速度对弯管段压降的影响。结果表明：弯管段压力损失随着管道直径的增大而减小，随着浆体流速的增加而增大，随着输送浓度增加而增大。设计正交实验发现各因素对弯管段压力损失影响大小顺序为：管道直径>输送速度>输送浓度。     

含蜡和防聚剂体系天然气水合物浆液生成及流动特性

研究含蜡和防聚剂体系天然气水合物浆液生成及流动特性,对于在深水含蜡油气田实施水合物浆液输送技术、解决海底管道多相混输流动保障问题具有重要意义。本文基于高压水合物环路开展的蜡晶存在与否,对含防聚剂天然气水合物浆液生成及流动影响进行实验,对比分析所获得的实验温度、压力、水合物生成体积分数、流量和压降等宏观参数变化,同时结合颗粒录影显微仪(PVM)、颗粒粒度分析仪(FBRM)等微观数据分析,研究了蜡晶对含防聚剂的天然气水合物浆液生成及流动特性的影响规律。结果表明:相比于无蜡体系,含蜡体系中蜡晶会在防聚剂的作用下吸附在油水界面,减小气水成核反应表面积,增大水合物生成传质阻力,从而抑制水合物生成成核,延长水合物生成诱导期,并使水合物生成量降低;蜡晶与水滴之间团聚物的形成,促进了其与水合物颗粒间的聚并,浆液体系黏度增加,流动性显著下降。含蜡和防聚剂体系天然气水合物浆液生成及流动涉及学科复杂,未来仍需基于已获得的蜡与水合物相关独立研究成果,进一步探讨蜡与水合物之间的耦合作用机理。     

基于CFD的3点放样弯管冲蚀模拟研究

弯头是管道冲蚀破坏中最脆弱的部分，直接决定管道的寿命。针对这一问题，提出一种3点放样弯管结构，并采用数值模拟技术对其抗冲蚀特性进行研究，详细分析了不同微米级颗粒粒径、流速、颗粒质量流量等对最大冲蚀率的影响。模拟结果表明：弯管冲蚀主要发生在弯管外侧。不同3点放样管均具有一定的抗冲蚀效果，且3点放样管最大直径越大，抗冲蚀效果越明显，这一规律不随流速、颗粒质量流量的变化而变化。虽3点放样弯管最大直径越大抗冲蚀效果越好，但能耗随弯管最大直径的增大线性增加，故需保证在能源消耗范围内尽量减少冲蚀。文中的研究结果为弯管的耐磨设计提供指导作用。     

放射性废树脂颗粒在垂直弯管内水力提升的分布仿真

针对放射性废树脂在垂直弯管内颗粒分布规律,采用计算机流体力学的方法对不同工况下的参数进行数值模拟和分析,以某品牌强酸性核级阳离子交换树脂和强碱性核级阴离子交换树脂为例,流体模型采用双欧拉模型,考虑湍流与重力的影响,使用COMSOL软件对废树脂和水在垂直弯管中的流动进行仿真,研究浆体流速、树脂密度、颗粒粒径、和体积浓度对垂直弯管内放射性废树脂颗粒分布的影响。研究结果表明:流速大对颗粒的均匀分布有利,树脂密度小对颗粒的均匀分布有利;颗粒粒径大小对树脂颗粒分布区域影响较小,但较大的粒径引起的颗粒浓度变化较大;较大体积浓度有利于对废树脂输送效率,但需考虑颗粒浓度大对管道的磨损影响。     

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。     

天然气水合物提纯螺旋分离器性能数值模拟

针对海底浅层天然气水合物开采中产砂量大而造成管路堵塞、设备磨损的问题,基于固态流化开采方法,提出天然气水合物原位分离的思路,结合水合物混合浆体物性参数设计井下原位螺旋分离器,采用CFD-Fluent商业软件建立分析模型并进行模型正确性验证,考察了固相水合物体积浓度、固相砂体积浓度和入口流速对分离装置性能的影响。结果表明,研究范围内砂去除率和水合物回收率均约为80%,随水合物体积分数增大,砂去除率和水合物回收率变化非常小,分离器压降变化很小;随砂体积分数增大,砂去除率急剧降低,而水合物回收率急剧增加,压降急剧增大;随入口速度增加,砂去除率和水合物回收率不断增大,分离器压降不断增大。设计的螺旋分离器在水合物原位除砂提纯中性能优异,水合物饱和度对分离器性能影响不大,但粉砂浓度对分离器性能影响较明显,工程应用中需要重点考虑;入口速度对分离器分离性能起关键性作用,决定了分离器的处理能力,适当提高入口速度可一定程度提高分离器的分离效率。     

二氧化硅与SDS复配对甲烷水合物生成过程的影响

天然气水合物大多赋存于海底沉积层或永久冻土带的沉积层孔隙中。用0.5～1 mm和2～4 mm 2种粒径的二氧化硅(SiO2)颗粒模拟真实环境,并量取不同体积SiO2分别与300 mg/L的十二烷基硫酸钠(SDS)进行复配,考察了不同体积的二氧化硅颗粒与SDS的复配体系对水合物生成过程的影响;探究不同初始压力对该体系的影响。结果表明,加入二氧化硅颗粒后能够缩短水合物的诱导时间;同体积2～4 mm二氧化硅颗粒生成水合物的剩余压力均要低于0.5～1 mm粒径; 2种粒径中都是50 m L的颗粒中剩余压力最低、储气效果更好;此外,水合物在较高的初始压力下生成效果最好。     

水力压裂管柱弯管处的固体颗粒冲蚀研究

为了研究固/液两相流体对压裂管柱弯管处的冲蚀问题,运用DPM冲蚀模型对弯管处在不同固相颗粒体积分数条件下的冲蚀进行计算与分析,追踪固体颗粒粒子路径,研究结果表明:弯管内壁管径最大区域最易产生冲蚀;在不同固相颗粒体积分数条件下,弯管最大冲蚀率随着固体颗粒含量的增加而增加,且固相颗粒体积分数与弯管的冲蚀率呈线性变化趋势。