基于段塞流捕捉的高黏油气两相流模型的建立与验证

随着传统油田的快速消耗,高黏稠油的开发逐渐引起了重视。有关高黏油的气液两相流研究主要集中在国外,国内的相关研究目前还较少。本文针对高黏油气混输管路,建立了一种捕捉段塞流的形成和发展过程,并进行两相流水力计算和液塞长度统计的组合模型。通过气液相间滑移速度和液相连续性方程的求解得到管路中不同时刻和位置的持液率,以持液率的变化反映段塞的形成和发展。建立气液动量守恒方程关联持液率和压力,得到管路中各位置的压力变化。闭合关系式中,通过液塞平移速度、壁面及气液相界面的剪切力关系式加入黏度的影响,最终建立适用于高黏油气两相流的段塞捕捉模型。使用不同来源的数据验证模型计算压降和液塞长度的准确性,数据分别来源于国外研究者的实验数据和大庆油田的现场数据。结果表明,模型具有较高的计算精度,大部分压降误差在±15%以内,大部分液塞长度误差在±20%以内。     

气液两相流混输管道的温降计算

根据气液两相流混输过程中的能量传递规律,推导出两相流混输过程中的温降公式,考虑了Joule-Thomson效应和液体摩擦生热引起的温升,建立了三种油气两相流温降计算数学模型,并进行了详细的讨论,计算结果表明:用液体持液率Hl代替质量含气率Xg计算两相流的混合比热容Cp能够提高温降的计算准确性。     

油气水三相流混输管路压降计算方法研究

在进行油气水三相流混输管路压降的计算中,需要涉及到很多内容,不仅包括数值计算知识,同时还包括流体力学以及数学建模等内容。鉴于多相流动计算机理的复杂性,并没有规范系统的计算方法进行研究,主要针对油气水三相流混输管路压降计算方法进行探析,希望为油气水三相流混输管路压降的计算研究提供一定帮助。     

基于段塞流的通用气液两相流模型的建立与验证

气液两相混输流动中,由于段塞流与其他流型均有联系,从段塞流出发建立模型可以使不同流型下的计算模型得到统一。基于段塞流建立气液两相流动量方程和连续性方程,完善模型对气泡和液滴夹带的处理。建立模型的闭合关系式,对关键参数(壁面及气液相间水力摩阻系数、液塞平移速度、平均液塞长度)的计算闭合关系式进行优选,得到适用于模型的闭合关系式,同时,对液滴和气泡的夹带给出夹带条件及相关参数计算式,最终建立基于段塞流的通用气液两相流模型。使用3组不同来源的实验数据验证了模型计算压降和持液率的准确性,实验数据分别来自中国石油大学(华东)、大庆油田实验基地的气液两相流实验以及国外研究人员的实验研究,包含各个气液流型。模型具有较高的计算精度,优于未经关系式完善和优化的原始模型,大部分压降及持液率参数的计算误差在±15%以内。     

天然气凝析液起伏管道集输敏感特性模拟研究

天然气凝析液管道采用气液混输技术进行输送,地形起伏可能造成管线内流型复杂和流动不稳定,导致管线低洼处容易产生积液,影响集输效率。采用多相流模拟软件LedaFlow建立某凝析气田集输管道水力模型,模拟分析地形起伏对管线压力和持液率分布的影响,探究削弱地形起伏对压力波动影响的集输条件,模拟分析输气量、管径以及管道出口压力对起伏管道水力特性的影响。研究表明:地形起伏增大了压力和持液率的波动,使流动不稳定。高输量、小管径和低压集输能够削弱地形起伏的影响。高压集输压降小,低压集输压降大,存在最优运行压力使生产成本最低。该研究为气液混输管路输送参数的选取提出了合理化建议,对复杂地貌条件下天然气凝析液集输管道的设计和运行管理具有意义。     

水平管段塞流特性及参数研究方法讨论

天然气于当前时代因其具有热值高、储量大而且污染小的能源而被广泛应用于各行业的生产中。油田伴生气是天然气的一项主要来源,为了提高经济性,用单条管道实行油气混输输至下游是一种常见的输送方式,这就有必要对复杂的多相流进行多方面的分析。在混输管路中,段塞流自身具有流动参数不稳定、流动形式复杂、给下游设施危害极大而又广泛存在于各种多相流的管路等不利因素,在设法减小甚至是消除段塞流之前,我们需要对段塞流的形成及流动特点等进行充分研究。当前对于多相流管路中流动的研究大体上以数值模拟和设计实验两方面入手。选取了水平管路中的段塞流流动特性及参数进行两方面的讲述。     

两相流工艺计算软件分析研究

利用石油气液管路两相流理论,结合目前国内外较新的两相流理论和试验研究成果,在描述气液两相管流的流型判断和压降计算的数学物理模型的基础上,研制出了适用于原油/伴生气、凝析气/凝液在管道中的混输,以及垂直井筒环空两相流压降及井底流压的计算软件.对该软件的结构、功能、适用范围做了介绍,用该软件对某实际管线和井筒的压降进行了计算,并与实测数据进行了对比.实际应用表明,该软件的功能完善、操作方便、计算结果可靠,能满足气液混输管线的设计计算和生产管理的需要.     

油气多相流流动特性分析

油气混输作为管道输送中一种常见形式,它在管道中的流动比较复杂,不同的参数会发生变化,特性也会发生相应的变化,所以本文主要分析了多相流流型的分类和流动特性,还对多相流的几种经典模型进行了分析。通过对多相流模型进行分析及探究,选取了其中两种模型进行了压降计算。根据多相流的特点以及其主要模型的对比,笔者认为:当管道内混合物容量减少,气体容量不变的情况下与气体容量增加,混合物容量不变的情况下多相流流型的变化与理论分析结果基本一致。     

水平管道气液两相段塞流参数计算的精确模型

分析了水平管内气液两相段塞流的运动特性和形态特征以及段塞单元内部的速度分布规律,建立了水平管路气液两相段塞单元的物理模型。将一个完整的段塞流单元分为液相段塞区和液层/气泡区,建立了液相段塞区的质量和动量守恒方程,计算了其压降和持液率;对液层区,模型考虑液层厚度分布不均(坡状液层)对参数计算的影响,通过建立局部控制方程,推导了液层高度随流动方向坐标变化的表达式,并将持液率和湿周写成液层高度的函数。通过与实验和其他模型的计算结果对比,本文建立的模型可以对压降和持液率有更准确的预测结果。     

区块混输工艺软件的开发

本文针对姬塬油田樊学油区某区块的具体情况,结合实验研究和理论方法的选择,在计算过程中编制了区块混输工艺软件。在多相管流中,压降、持液率、流型判断、气相流速和液相流速的计算要涉及到许多的模型和繁琐的计算公式,为此开发软件,将计算中各种所需的工艺参数集合在一个程序中,以此方便研究人员对各参数的调用。     

Advanced simulation of transient multiphase flow & flow assurance in the oil & gas industry

We discuss here current computational trends (beyond Mechanistic 1D Models) related to transient multiphase flow and flow assurance problems in the oil and gas sector. The developments needed to bring advanced Computational fluid & Multiphase‐fluid dynamics (CFD & CMFD) techniques and models to a mature stage will also be discussed. The contribution presents the possibilities offered today by these simulation technologies to treat complex, multiphase, multicomponent flow problems occurring in the gas and petroleum engineering in general. Examples of various degrees of sophistication will be presented, without focusing on the validation aspect as such. The models are briefly introduced (phase averages, N‐phase, interface tracking, Lagrangian particle tracking and granular flow model). © 2013 Canadian Society for Chemical Engineering     

煤粉锅炉炉膛燃烧一维数学模型的研究

为了有效地进行直流煤粉多相流动与燃烧数值模拟,实现煤粉低NOx燃烧,本文在连续介质模型的框架中建立了综合考虑气—固两相流流动、燃烧与传热的直流煤粉燃烧一维数学模型。应用这一模型对一维煤粉炉炉膛内煤粉燃烧和气体燃烧的数值计算表明,该模型可快速有效地用于模拟直流煤粉多相流动与燃烧过程,给出炉内温度、NOx分布等主要参数。     

An extended DEM–CFD model for char combustion in a bubbling fluidized bed combustor of inert sand

This paper proposes a transient three-phase numerical model for the simulation of multiphase flow, heat and mass transfer and combustion in a bubbling fluidized bed of inert sand. The gas phase is treated as a continuum and solved using the computational fluid dynamics (CFD) approach; the solid particles are treated as two discrete phases with different reactivity characteristics and solved on the individual particle scale using an extended discrete element model (DEM). A new char combustion submodel considering sand inhibitory effects is also developed to describe char particle combustion behavior in the fluidized bed. Two conditions, i.e. a single larger graphite particle and a batch of smaller graphite particles, are used to test the prediction capability of the model. The model is validated by comparing the predicted results with the previous measured results and conclusions in the literature in terms of bed hydrodynamics, individual particle temperature, char residence time and concentrations of the products. The effects of bed temperature, oxygen concentration and superficial velocity on char combustion behavior are also examined through model simulation. The results indicate that the proposed model provides a proximal approach to elucidate multiphase flow and combustion mechanisms in fluidized bed combustors.     

Large‐Eddy Simulation of Oil‐Water Annular Flow in Eccentric Vertical Pipes

One of the difficulties related to oil exploration is transporting heavy oil since its high viscosity causes high‐pressure drop and energy consumption. In order to save energy, the core annular flow (CAF) can be applied where a two‐phase annular flow occurs, with peripheral water flowing offering a reduction in energy expenditure. The multiphase flow was studied experimentally in a simple purpose‐built unit. To theoretically handle the CAF, computational fluid dynamics simulations were done with the commercial package Ansys Fluent. The flow was considered turbulent, isothermal, incompressible, and 3D, and both stationary and transient cases were evaluated. The volume‐of‐fluid model was adopted for the multiphase system, and water/oil interface and turbulence phenomena were well predicted.     

分布孔大小对环流反应器内流动影响数值模拟

采用k-ε二方程模型和欧拉多相流模型,对一种气升式环流反应器内的湍流气液二相流进行了全尺寸的数值模拟研究,考察了采用具有不同大小分布孔气体分布器时反应器内气含率和流速分布的细节。模拟结果表明采用小分布孔的反应器内的平均气含率较高,气液二相接触效果较好,对于反应过程有利。计算所得的整体气含率与实测的整体气含率进行了对比,吻合较好。     

氨盐水碳酸化反应的机理与反应器模型Ⅱ碳化塔反应器/结晶器数学模型

在对碳酸化过程机理和碳化反应动力学进行深入分析和综合描述的基础上，将碳化塔考虑为一多相反应器和多级结晶器，建立了其数学模型。模型全面考虑了化学吸收、反应结晶、流动、传热、传质各物理—化学过程，能够预测和模拟工业碳化塔十几种操作变量对转化率、晶体粒径和产量的影响。通过模型模拟，考察了碳化塔反应器的整体行为，剖析了有关的工业碳酸化过程，提出了相应的工艺改进措施。     

内锥式脱油旋流器流场分析与结构优化

采用流场模拟方法研究了内锥式脱油型水力旋流器的内部流场,其中湍流模型采用多相流中的ReynoIds应力模型,基本方程的离散和求解采用SIMPLEC算法,应用计算流体动力学(CFD)方法对内锥式脱油旋流器进行数值模拟,揭示了特性参数对旋流分离器性能的影响.     

颗粒黏度模型对采用欧拉多相流模型模拟超密相颗粒流动行为的影响

颗粒黏度是欧拉多相流模型计算固体流动的重要参数之一,其数值大小依赖于摩擦压力和径向分布函数。通过与实验值对比,评估了常用的摩擦压力模型（Based、Johnson）和径向分布函数模型（Lun、Syamlal O’Brien）对密相颗粒流动体系的预测能力。模拟结果表明,Johnson模型的固体体积分数预测值低于Based模型;Syamlal O’Brien 模型固体流率的预测值远大于Lun模型。采用根据实验结果修正的欧根系数后,Based-Lun、Johnson-Lun和Johnson-SO模型组合预测的平均压降相对误差分别由68.6%、73.3%和78.2%降低至13.2%、29.7%和42.3%。综合考虑压降、固体出口质量流率、固体体积分数、壁面区域固体速度的模拟结果与实验值的偏差,发现Based-Lun模型组合的平均预测误差最小,适用于气固移动床的欧拉多相流模拟。研究还发现,欧根系数与内摩擦角对固体速度与压降有着显著的影响,而临界固含率对固体速度与压降的影响较小。