基于CFX的水平管等径三通失效分析数值模拟

应用计算流体动力学（CFD）方法及CFX软件,建立水平管等径三通中的流体湍流和冲蚀数学模型。考虑等径三通近壁面处湍流的衰减,设定流动介质的气相为连续相,液相为离散相,边界条件设定为质量入口和压力出口组合,其中进口为气液两相质量流量和体积分数,出口为截面平均静压。采用稳态模拟和有限体积法对充分发展的气液两相流管内流动进行数值模拟,经过计算得到流动介质的速度流线、速度矢量及气液分布。其中,气相速度最大为21．2m／s,液相速度最大为13．4m／s;流速增大时,气液两相流的壁面切应力相应增大,气相最大切应力为36．87Pa,液相最大切应力为68．24Pa。剪切力破坏管壁腐蚀产物膜,加剧腐蚀产物膜的脱落。综合各因素解释等径三通冲蚀磨损的原因,同时结合失效样品壁厚检测结果,论证气液两相流对水平管等径三通冲蚀磨损的失效规律。     

混合器在多相流计量和标定装置中的应用

为了减小或避免速度差,通常在多相介质混合处采用设置两相或三相混合器的方法,使得各单相介质流经混合器后多相介质混合均匀、流动稳定,以便较准确的对多相流进行计量和标定。混合器可以分为两大类,一类为气液或油水两相混合器,另一类为油气水三相混合器。在多相流量计入口所用的两相或三相混合器主要以混合作用为主,它对于减少气、液两相流的速度滑差,提高流动稳定性和计量准确度十分重要。在多相测试标定装置中所用的两相或三相混合器具有混合和混流作用,它可确保三相介质流动平稳或混合均匀,对于缩短流动发展直管段长度,尽快得到充分发展的速度分布及减少气、液两相流的速度滑差, 提高流型稳定性具有重要意义。     

气侵期间环空气液两相流模拟研究

钻井过程中地层气体一旦侵入井眼,环空中会形成气液两相流,如果控制不及时或不当,极有可能产生井喷。为研究气侵期间环空中气液两相流的流动规律,以及时控制气侵及防止井喷的发生,以空气—钻井液为介质,分析了垂直井眼环空中气液两相流流型,建立了环空流场的物理流动模型,采用标准k-ε模型对紊流场进行模拟计算,在模拟条件下,得出了气侵发生前后环空气液两相流的流动规律与气侵期间井眼流体实际流动情况相符,并给出了气侵发生后,流体流型转变、气体运移速度及气体在环空空间上的分布规律。计算结果对井控计算机模拟研究具有一定的指导意义。     

较高黏度垂直气液两相环状流转变界限研究

针对稠油注气开采过程中井筒多相流流动参数难确定的问题,研究了稠油举升过程中井筒内气液两相流的流动型态。通过开展较高黏度流体垂直管气液两相流试验,借助高速摄像机观察不同油品黏度(60、100和290 cp)、不同液相表观流速(0.2、0.5和0.8 m/s)条件下管道中的环状流转换现象,以气液两相流理论与流体动力学为基础,提出了一种考虑液相黏度的井筒气液两相环状流形成的判别方法,即在气液两相间滑脱速度与液体黏滞力和重力引起的速度损失相等时,环状流开始形成,以此建立了环状流转变界限模型。在试验工况下,新模型可以准确地预测环状流的形成,但随着液相流速的增加,环状流逐渐接近判别界限。研究结果为进一步开展较高黏度气液两相流流动规律研究奠定了基础。     

运动柱塞与油管内壁环缝间的气液逆流特性

柱塞气举技术已成为国内外经济性较高的排液采气关键技术之一，但由于柱塞与油管内壁环缝间液体漏失和气体上窜降低了柱塞气举排液率甚至造成举升失败。因此，为优化柱塞气举结构以提高举升效率，构建了运动柱塞与油管内壁环缝间气液两相逆流数值模型，研究了柱塞结构与上行速度对环缝内气液逆流流型转变以及逆流密封性能的影响规律，揭示了柱塞与油管内壁环缝内的气液逆流密封机理，提出了强化气液逆流密封性能的最优上行举升速度与柱塞结构优化方向。研究结果表明：(1)在柱塞表面添加槽式结构可显著改善柱塞与油管内壁环缝间的气液逆流密封特性，且矩形槽柱塞举升效果优于梯形槽柱塞；(2)当矩形槽室宽度小于深度时，气液难以充分混合而呈气液分层流型，气相涡旋将液体挤压在槽内壁面，环缝内流体速度衰减较小，气液漏失量较大；(3)当矩形槽室宽度是深度的2倍时，槽内呈气液搅拌流型，出现两相涡旋并引起气液流速的衰减，减小了举升过程中的流体漏失；(4)柱塞平均上行速度为5 m/s时，槽式柱塞与油管内壁环缝间气液流动密封性能最佳。结论认为，选用槽室宽度是深度2倍的矩形槽柱塞并控制其举升速度趋近于5 m/s，可有效提高柱塞排液效率，该研究成果可以...     

分流分相式多相流量计研究进展

分流分相多相流量测量方法是新一代在线多相流量测量方法,分流分相式多相流量计具有体积小、精度高等优点.通过从被测主流体取样分流出一部分气液混合物,分离后采用单相仪表测量取样流体流量,然后根据取样流体与主流体的比例关系获得被测流体流量.分流分相测量方法成功的关键在于设计合适的分配器,保证取样流体和被测流体之间具有确定的比例关系.目前已经开发出了三通管型、取样管型、转鼓型、转轮型、旋流型管壁取样器等取样分配装置,其中,旋流型管壁取样器通过多孔取样和流型整改保证了取样的代表性,无运动部件、取样孔不易堵塞,非常适合海上油气田的开发.     

水平管道油-气-水三相流动流型试验研究

在气相折算速度0·5~15m/s、液相折算速度0·05~0·5m/s的试验条件下,利用管径为25·7mm的水平管道,进行了含水率分别为10%,20%,40%,55%和70%的油气水三相流动流型试验研究。观察到油基/分离/段塞流型、油基/分散/段塞流型、油基/分散/环状流型、水基/分离/段塞流型、水基/分散/段塞流型和水基/分散/环状流型6种流型。后5种流型与其他研究者类似,但第1种有所不同。     

三相流流态的实验研究

过在垂直管道中的油／气／水流动的实验系统。观察三相流的流动形态，画出流态图。实验研究的条件是：空气（ja）的折算速度为15～5000cm／s；水（jw）的折算速度为0．4～66cm／s，在三个离散的速度值4．3、9和24cm／s上，不混合油相（jo）的折算速度保持不变。观察到以油和水为基相的波状流、团状流、段塞流和层状环流等流态。并发现了在两相流中没有见到过的许多有趣的新流态。     

气液两相流通过管壁小孔分配特性的试验研究

以开有小孔的管壁为研究对象,对层流下气液两相流通过管壁小孔的分配特性进行了理论分析和试验研究。结果表明,气液两相流通过管壁小孔的流动存在一临界高度hb,如果小孔入口与气液界面之间的距离h大于该临界高度,将不会发生夹带现象,临界高度hb主要取决于小孔两侧的压差;对于小孔分别位于气相集中区或液相集中区的分配器,进入分流回路的分流体为单相气体或单相液体或质量含气率为固定常数的两相流体;对4孔分配器,进入小孔的气液含量与孔的位置以及管内气液相分布有关,气液相分流系数受主管流型波动影响较大。     

上斜管线两相流型转换条件的研究

为了进一步了解气-液两相在管线中的流动情况,在管径为40 mm,管长为10 m,倾角分别为10°、30°、45°和60°的有机管段中,采用目测法和流型识别仪器,根据气-液界面特征,对气液两相流的流型进行了研究,并给出了相应的流型图。同时分析了不同倾角下流型的变化特征,并拟合出了相应的流型转换条件。其结果表明:(1)倾斜管线中的主要流型为:泡流、弹状流、准弹状流以及环流;(2)不同流型对倾角的敏感性有很大差别;(3)水平管流中的层流在倾斜管线中被弹状流和准弹状流取代。     

钻井环空气液两相流动及气相漂移上升速度规律研究

在钻井环空气液两相流动过程中,气相滑脱上升给气侵溢流处理和欠平衡钻井井口回压控制带来困难.运用自主研制的实验装置,分别以清水和三种黏度液作为液相介质,在实验条件下,对钻井环空气液两相流的流动型式及气相漂移上升速度进行了实验研究.测得不同介质中小气泡、帽形泡、弹形泡和搅动流(气泡团)的漂移速度,给出了传统气相漂移上升速度计算式的适用范围;引入含气率建立了新的适用于各种流动型式的气相漂移上升速度计算式,得到清水介质和黏度液介质中气相存在的不同形式及黏度对气相漂移上升速度的影响规律.本研究对分析钻井环空气液两相流动问题有重要意义和工程应用价值.     

不可视环境下用声音信号测定间歇频率的新方法

针对不可视环境下的气液两相流动,开发了分析声音信号的方法,利用这两种流型下声音信号的特点来辅助辨识分层流流型和间歇流流型。由于声音信号采集频率高,对管内流体流动的变化更加敏感,故其不但能准确地反映出间歇流的周期波动特性,而且还能通过及时地捕捉由液塞通过时造成的声音信号的振幅变化来准确地确定间歇频率;此外,通过对声音信号的分析,分别得到了间歇频率随液体折算速度和气体折算速度的变化规律。     

气液两相流确定性混沌分析

采用确定性混沌理论研究了空气 水两相流压力和压差信号的重构相空间、吸引子不变量的规律。结果表明 ,气液两相流是 1个低维混沌动力学系统 ,各流型间的非线性动力学特性不同。气液两相流的吸引子不变量 ,如Hurst指数、关联维数和Kolmogorov熵等都与流型关系密切。在多数流型内参数波动具有持久性特征 ,首次发现了高气速环状流区的反持久特征。     

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章分别以水、轻油和重油为液相，研究了天然气井中零液流量气提流动这一特殊气液两相流动现象。提出了零液流量气提流动的两相流水动力学模型，应用该模型计算了零液流量气提流动的持液率和压力降。模型计算结果与试验结果都表明，零液流量气提流的持液率随表现气速的增大而单调减小，而摩擦阻力压力降则不随表现气速的变化呈单调性的变化。尽管零液流量气提流的水动力学特性不同于液体流量不为零的常规气液两相流，零液流量气提流仍遵循常规气液两相流的水动力学基本关系式。     

皮球集流油气水三相流涡轮流量计测量模型研究

基于皮球集流涡轮流量计与放射性密度-持水率计组合仪在油气水三相流流动环中的动态测量结果,建立了预测三相流总流量的涡轮流量计物理模型,该模型考虑了等效"气液"滑脱速度及流型影响.由于流型转变与两相流运动波传播特性密切相关,还提出了基于"气液"两相流运动波传播速度特征的流型划分准则,并利用该准则在不同流型区域内提取了气相漂移速度及相分布系数2个重要的流动特性参数.最后,将研究所得的三相流流动特性与涡轮流量计物理模型相结合,给出了具有较高精度的三相流总流量预测结果,表明利用集流型涡轮流量计仍然可以有效地测量油气水三相流总流量.     

U型光导纤维探针对油－气两相流的测试

本文分析了Ｕ型光导纤维探针的测量原理。在内径为３０ｍｍ的垂直管中，对油－气两相流进行了局部参数的测试，获得了弹状流、块状流和环状流３种流型下探针的特征输出信号，讨论了相份额的确定方法。测试结果表明，Ｕ型光导纤维探针可用于油－气两相流的在线流型监测。同时，本文提出了由探针输出信号确定相份额的新方法，该方法比阈值法准确、可靠。     

基于强制环状流的电导法持液率测量技术

传统电导法测量气液两相流持液率时,测量精度易受流型影响.为此,提出了基于强制环状流的电导法气液两相流持液率测量技术,通过数值模拟和室内试验,用单头电导探针直接测量法对气液两相流持液率进行了测量研究.研究结果表明:当进口气液比一定时,气体不足以携带液体,但气相折算速度的逐渐增加使气体开始携带液体,液膜厚度随之不断增加,且...     

空气钻井偏心环空气固两相流动数值模拟

基于欧拉多相流模型,建立空气钻井偏心环空气固两相流动数学模型,借助FLUENT软件对计算模型进行求解;得到了稳定流动后井筒内气固两相流动速度场、压力场及两相浓度分布规律。分析表明,整个流场沿着两圆中心连线呈对称分布,宽、窄间隙处轴向速度差异较大;且受边界层效应的影响,靠近内、外两圆壁面处流速最小。出口处岩屑速度小于空气速度;而轴向越靠近出口,宽间隙区域空气速度越大,窄间隙区域空气速度越小。     

倾斜管内高黏油水两相流的数值模拟

采用Fluent三维数值模拟方法研究了倾斜管内高黏油水乳化前后的流动状态,从流型与压降两方面总结了油水两相流的流动规律。实验结果表明,乳化前油水两相流的流型呈现油水交替、泡状流、水塞流、弹状流和环状流,而乳化后则以分层流、分散流、分层流且带有水包油为主。在一定倾角和入口流速下,管内压降随含水率的增加急剧减小;在一定入口流速和含水率下,管内压降随倾角增加逐渐减小。正交实验结果表明,入口流速对压降的影响最大,含水率次之,倾角的影响最小;最优组合为倾角20°、入口流速0.4 m/s、含水率40%。     

分流型管汇偏流现象的数值模拟研究

油气田集输系统中,管汇主要用于收集各井口采出物,并将其输送至油气处理设施。油气集输管汇各出口管路流量分配不均的现象严重影响了下游油气处理设施运行的经济性与安全性。针对分流型管汇,分别选取空气和空气-水为流动介质,给定不同的气相折算速度v_(sg)和液相折算速度v_(sl),基于FLUENT仿真软件研究管汇流量分配规律和偏流成因。FLUENT模拟结果表明,无论是单相流还是气液两相流,分流型管汇都会出现偏流。大多数工况下,来流由气相转变为气-液两相后,管汇气相偏流程度均会加重。当v_(sg)较小时,气相中引入液相,在液相携带下,更多的气相将进入分流管,使得管汇气相偏流程度降低。经分析可知,造成管汇偏流的主要原因有惯性力的作用、涡流的影响和压力分布不一致。随着v_(sg)或者v_(sl)增加,流体受到的惯性力增加,管汇气相、液相偏流程度均会加重。通过对分流型管汇流量分配情况的数值模拟分析,可为设计高效、经济的油气集输管汇几何结构提供依据。