叶轮起旋水合物管道螺旋流动及传热数值模拟

为了进一步研究输气管道中天然气水合物颗粒输送体系的螺旋悬浮流动规律,建立了圆管螺旋流的三维模型。采用RNG k-ε模型和DPM模型对天然气管道内的气固两相螺旋流动和传热进行了三维瞬态数值模拟。主要研究了水合物管道内不同横截面的速度场、壁面剪切力、水合物颗粒停留时间、水合物颗粒浓度分布规律以及传热规律。研究结果表明:螺旋流具有较强的颗粒携带能力,对增强水合物颗粒之间的传热,防治输气管道中水合物堵塞问题有较好的效果。研究结果可为保障输气管道的安全输送提供理论指导。     

以扭带起旋的气固两相螺旋流流动与传热数值模拟

为了探讨输气管道中天然气水合物颗粒输送体系的螺旋悬浮流动规律,利用ANSYS软件对天然气管道内的气固两相螺旋流动和传热进行了三维瞬态数值模拟。研究了天然气管道内不同横截面的速度场、水合物颗粒体积分数分布规律、水合物颗粒沉降规律以及传热规律。模拟结果表明:螺旋流具有较强的携带能力,可以防止颗粒沉积,增强水合物颗粒之间的传热,避免形成水合物堵塞,保障管道安全;固体颗粒含量对携带能力有较大影响,当不含固体颗粒时,螺旋流流线稳定,衰减并不明显;当水合物颗粒体积分数达到8%左右,螺旋流的切向速度迅速衰减,衰减速率是无颗粒螺旋流的3倍。研究结果可为保障输气管道的安全输送提供理论指导。     

输气管道水合物颗粒螺旋流动数值模拟

为了对输气管道中天然气水合物颗粒输送体系的螺旋悬浮流动规律做出进一步研究,利用ICEM软件对天然气管道内的气固两相螺旋流进行了三维瞬态数值模拟与仿真。研究了天然气管道内不同横截面的速度场、水合物颗粒体积分数分布规律以及水合物颗粒沉降规律。模拟结果表明:当水合物颗粒体积分数达到8%左右时,螺旋流的切向速度衰减迅速,对水合物颗粒的携带能力也急剧下降,衰减速率是无颗粒螺旋流的几倍;螺旋强度较大时,流体速度曲线表现出"双峰"特点,螺旋强度较小时,流体速度曲线表现出"抛物线"特点;流体速度是影响颗粒运动的主要因素,叶轮角度是次要因素,流体携带能力与颗粒体积分数及颗粒粒径成反比。所得结论可为输气管道的安全输送提供理论指导。     

水合物颗粒螺旋输送数值模拟研究

为了更好地了解天然气水合物颗粒在两相螺旋管流中的流动特性和传热规律,采用DPM模型和RSM模型对以扭带起旋的水合物颗粒螺旋输送进行数值模拟。主要研究了不同扭率和流速下的温度场、速度场、湍流强度和水合物颗粒的沉积规律。研究结果表明螺旋流能加强壁面传热效率,且扭率越小雷诺数Re越大时管道壁面的传热效率越高;流体在扭带作用下速度开始呈双峰形式运动,最后峰值在管道中心处合并;螺旋流能有效提高水合物颗粒的运动距离,在螺旋流较强段水合物颗粒沉积明显较少;在扭带段湍流强度分布曲线呈"W"型中心刚性涡处湍流强度较小,在后管两个对称涡合并过程中加大了中心涡处的脉动速度,湍流强度分布曲线呈"U"型。     

基于螺旋流的输气管道内水合物流动与传热分析

目前文献以气相为主导的输气管道螺旋颗粒流动与传热报道较少。鉴于此,采用RNG k-ε模型对螺旋管流中水合物颗粒的速度分布、湍流强度分布、颗粒沉积特性和传热特性进行研究。研究结果表明:当扭率为8. 8时,雷诺数越大,速度极大值的范围越大;扭率越小,在管中心形成的强制涡衰减越慢,湍流强度越大,水合物颗粒掺混效果越好,利于传热;无扭带管道中水合物颗粒比有扭带管道中水合物颗粒体积分数大6～8倍,扭带扭率越小,管底颗粒沉积越少;管道的努塞尔数随雷诺数逐渐增大,在相同的雷诺数条件下,扭带的扭率越小其努塞尔数越大,最大可提高4倍。研究结果可为水合物的安全输送提供理论指导。     

管道流动体系天然气水合物生成模型研究进展

天然气水合物浆液管道输送技术可实现水合物防治的动态控制及天然气水合物的管道输送,而流动体系天然气水合物生成模型研究为水合物浆液管道输送技术的发展提供理论支持。总结了国内外流动体系天然气水合物生成模型的研究进展,重点分析了水合物生成动力学模型。发现目前适用于流动体系的天然气水合物生成模型还很少,并且多为由静态体系水合物生成模型拓展而来。基于气液两相螺旋管流流动特性及天然气水合物微观结构,建立了螺旋管流体系天然气水合物生成模型。最后,指出了流动体系天然气水合物生成模型研究的发展方向。     

天然气管道干空气干燥技术模拟

商品天然气输送中，输气管道入口处天然气中的水汽含量被控制到能使天然气在最高输送压力下的露点温度低于它在输送中可能达到的最低温度。但输气管道投产前存在于管道内壁和管道低洼处的液态水对天然气有增湿作用，导致天然气露点在输气管道投产初期不能满足管输要求。为此，投产前需要对天然气管道进行干燥处理。干空气干燥天然气管道是一个复杂的传热、传质过程。基于质量守恒定律、相平衡原理和费克定律，提出干燥过程以及随后封闭过程的机理模型。运用隐式差分法求干燥模型的数值解和分离变量法求封闭过程的解析解。在此基础上编制了反映干空气流动过程中的吸水和液态水平衡蒸发过程的应用程序。利用西气东输管线的干燥实例验证了模型的正确性，并提出了建议。     

管道流动体系下天然气水合物生成模型的研究进展

管道流动体系下天然气水合物生成模型的建立对天然气水合物浆液的输送、管输天然气水合物防治以及天然气水合物技术的应用都具有重要意义。为此,查阅了大量的国内外相关文献并进行了总结与分析,认识到目前对该类模型的研究较少,现有的模型也是在静态釜式反应器天然气水合物生成理论基础上拓展而来的,主要包括驱动力、成核速率、诱导时间、水合物生长等方面的模型,上述模型被广大研究者用于计算管道单个截面处天然气水合物的生成速率预测,具有较好的计算精度。但现有模型用于管道流动体系下天然气水合物生成特性的预测还不成熟,需要进一步开展管道流动体系下天然气水合物的生成机理、管道沿线温度变化、添加剂及其流动界面对气液传质的影响等研究,建立动力学、传热、传质三者相结合的管道流动体系下天然气水合物生成模型,以此来解决管道流动体系下天然气水合物生成预测的技术难题。     

导流条安放角对气固两相螺旋流动特性的影响

为了保证天然气的安全输送,对以导流条全程起旋的水平管中气固两相螺旋流动进行数值模拟研究。采用DPM模型和RNG k-ε模型对流体流场进行流-固耦合计算,研究不同导流条安放角对水平管内不同横截面流动特性的影响,并引入管道旋流效能评价参数ξ来表征单位长度上压降产生的旋流数大小,优选出最佳安放角。研究结果表明:导流条安放角越大,切向速度越大,轴向速度越小,湍动能越强,压降越大,导流条安放角20°的管道温度梯度变化较快,传热效率最高;在计算工况范围内整管段内颗粒不会在管底沉积,安放角25°的管道导流条附近颗粒浓度极大值区域最大;安放角在10°~25°范围内每增加5°,参数ξ增加0.12,并在安放角25°时达到极值;当安放角大于25°时,参数ξ开始减小,因此选取25°为最佳安放角。研究结果可为螺旋管流安全输送天然气水合物提供理论依据和技术指导。     

基于群体平衡理论的管道内水合物颗粒聚集过程模拟

基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型,重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚集效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,建立了三维几何模型,利用FLUENT 14.5软件对群体平衡模型和固液两相流模型进行联合求解,模拟不同条件下水合物颗粒的聚集过程,并将模拟结果与水合物颗粒生长模型的计算结果进行了对比。模拟结果表明,数值模型能较好地模拟水合物颗粒在管道内流动时的压降变化规律以及粒径分布情况。低流速下管道内水合物颗粒的聚集过程可大致分为缓慢增长、快速增长、破碎主导和动态平衡四个阶段。高流速下管道内水合物颗粒的聚集过程则只包括快速增长和动态平衡两个阶段。在管内流动条件下,相较于颗粒生长,水合物颗粒间的聚集更容易导致颗粒粒径增大、是流动过程中水合物颗粒粒径增大的主要原因。     

弯管内天然气水合物颗粒螺旋流动特性数值模拟

螺旋流动较普通管流对固体颗粒具有更大的输送能力,但流动也更为复杂,尤其是在管道弯管处.采用RNG k-ε模型和DPM模型,对流体携带颗粒螺旋流动经过水平90°弯管时的流动特性进行了数值模拟,其中起旋器为短扭带,扭率为6.2、7.4、8.8,水合物颗粒粒径为0.06 mm、颗粒质量流量为10-6 kg/s;将模拟结果与实...     

海底输气管道水合物冻堵的处置与防控

在输气管道内天然气和水接触可形成天然气水合物,从而导致管道冻堵,影响海上天然气管道输送安全。结合渤海某海底输气管道发生水合物冻堵事件,首先简要介绍了天然气水合物形成的主要影响因素,而后介绍了该海底天然气管道的运行参数、管道中天然气水合物形成条件和原因、管道冻堵情况及解堵过程,最后分析总结了管道在发生水合物堵塞后,初期压差升高阶段和完全冻堵阶段的解堵处置方法,并提出预防海底输气管道发生水合物冻堵的若干措施或建议。     

天然气水合物在水力提升管道中的分解特性

为了指导海底天然气水合物(以下简称水合物)绞吸式开采水力提升管道系统参数设置,研究了水力提升管道内水合物的分解特性和流动参数变化对其的影响。基于热力学和流体力学,采用数学建模的方式建立了水合物水力提升管道温压模型、水合物分解传质模型和管道多相流模型,分析了固液两相流转变成固液气三相流过程中不同影响因素下管道流体温压、水合物颗粒物质的量、分解面位置与海水深度的关系。结果表明:(1)随着管道流量增大,水合物分解速度减慢,分解面少量上移;(2)颗粒直径对管流温压、相平衡压力、水合物分解面基本没有影响,但只有直径小于0.2 mm的水合物颗粒才能在管道中完全分解,直径大于2.0 mm后,颗粒分解量忽略不计;(3)出口回压为正压且增加时,水合物分解面上移,分解速度减慢,而出口回压为负压且增大时,水合物分解面下移,分解速度加快;(4)随着采矿深度的增加,水合物分解速度变慢,分解面上移,但在与海面距离超过1 500 m后采矿深度对水合物分解速度、分解面无影响;(5)实验验证与数值仿真规律基本一致,表明所建立的模型具有较高的可信度。结论认为:绞吸式开采水合物时,控制合理的流量和出口回压能够调节分解面高度以及分解速度,并且不用考虑颗粒直径和采矿深度对产气量的影响。     

高压天然气管道内水合物浆液流动特性的数值模拟

高压天然气管道内水合物的沉降堆积会引发严重的安全问题,而理解水合物浆液流动特性是解决问题的关键。文中运用计算流体力学的方法,利用FLUENT软件对高压直管内水合物浆液的流动特性进行数值模拟,探究入口压强、水合物颗粒体积分数、水合物颗粒粒径和水合物颗粒密度对水合物浆液流动特性的影响。结果表明,在高压天然气管道内,水合物颗粒会沿着管道壁面在近壁面区域发生沉降堆积,且其沉积程度会随着入口压力,颗粒体积分数,水合物颗粒粒径的增大而增加,而水合物颗粒密度对其沉积特性整体影响较大。     

含天然气水合物的海底多相管输及其堵塞风险管控

为了提升深水油气开发海底输送系统多相流动的安全运行水平、推进“天然气水合物（以下简称水合物）浆液输送技术”的工业化应用进程,基于所搭建的水合物流动保障实验平台,结合水合物动力学生成机理、多相流动规律和可靠性理论,开展了含水合物的海底多相管输及其堵塞风险理论与技术研究。研究结果表明：①水合物颗粒的存在,会减少分层流区域,增强段塞流动趋势,更易形成环状流和波浪流,基于小扰动法所建分层流判别准则,能合理划分实验流型数据;②考虑水合物颗粒间聚并剪切,结合有效介质理论,建立了水合物浆液的黏度、阻力计算方法,预测精度均在±20%以内;③提出了含水合物多相管输的临界悬浮流速概念,分别建立了低于该流速的气浆、高于该流速的固液多相流动机理模型,能更加合理地描述水合物颗粒与多相流动耦合影响规律; ④观察到水合物壁面沉积4阶段历程,通过不同实验条件下水合物沉积率的定量表征分析,揭示了各因素对水合物壁面沉积的作用机理;⑤定量分析了不同流型下水合物颗粒的聚并沉积状态,定性分析了各流型中水合物的堵塞机理及风险;⑥引入可靠性理论,建立了以水合物体积分数为判定条件的极限状态方程,耦合抽样及快速求解理论,实现了含水合物多相输送管道堵塞概率表征,并给出了水合物浆液管道稳定运行的安全评价等级划分原则。结论认为,该研究成果能从定性和定量两个方面有效预测多相混输管道中水合物的生成及堵塞风险,有助于保障海底输送系统多相流动的安全运行。     

管道流动体系天然气水合物分解动力学模型研究进展

天然气水合物聚集堵塞管道事故频频发生,管道解堵耗时棘手,给石油化工行业造成了巨大的经济损失和能源浪费,研究管道流动体系下天然气水合物的分解特性为解决管道水合物冰堵问题提供理论基础。综述了国内外管道天然气水合物分解动力学的研究进展,重点阐述了管道水合物的分解机理及相应天然气水合物分解模型。发现目前关于管道流动体系下水合物分解规律的研究不多,管道水合物分解模型不够完善。基于水合物微观分解机理及环道流体宏观运动规律,对建立多因素影响、适用于管道流动体系的新型管道天然气水合物分解综合模型提出了构想。最后,对管道流动体系水合物分解特性的研究方向提出了建议与展望。     

固态流化采掘海洋天然气水合物藏的多相非平衡管流特征

由密闭管线将破碎的海洋天然气水合物(以下简称水合物)颗粒向上输送至海面平台,是固态流化采掘水合物藏工艺流程的核心环节,但水合物固相颗粒在上升过程中受到温度升高、压力降低的影响,至某一临界位置将会分解产生大量气体,使井筒中的流动变为复杂多相非平衡管流,进一步加剧了井控、固相输送等安全风险。为了研究水合物在上述过程中的动态分解规律,通过建立井筒温度和压力场、水合物相平衡、多相上升管流中的水合物动态分解、耦合水合物动态分解的井筒多相流动数学模型,提出了数值计算方法并予以验证。研究结果表明:(1)应用数值模型分析,得到了不同施工参数条件下的液相排量、固相输送量(日产气量)、井口回压对多相非平衡管流的影响规律;(2)提出了基于多相非平衡管流特征的现场施工措施,适当提高固相输送量可以提高天然气产量,应同时增大液相排量、施加井口回压来保障井控安全。结论认为,该项研究成果为施工参数优化和井控安全提供了技术支撑,也为其他海区水合物藏固态流化采掘多相非平衡管流预测提供了手段。     

天然气水合物浆在管道中的流动沉积特性

随着海底天然气水合物开采及开发技术研究的不断发展,水合物浆的宏观流动特性研究成为保证天然气水合物浆顺利输送的必要条件。为此,对天然气水合物浆液在管道中的稳定流动状态及临界堵塞条件进行了研究,以传统的固液双层流动模型为基础,结合天然气水合物在水平管道中的流动特点,提出了天然气水合物浆稳定流动的判定标准——临界流动速度和临界床层高度,即管道内出现固定床层的临界速度和该速度对应的床层高度;并提出了计算天然气水合物浆流型及流动参数的方法。在此基础上,对天然气水合物浆在管道中流动的沉积特性进行了研究,设计正交方案,对比了不同因素对临界沉积速度的影响因子。实验验证结果表明:该方法可以较为准确地描述天然气水合物浆的流动状态及其特征参数,对判断其安全流动具有一定的指导意义。     

以长扭带起旋的水合物浆体流动特性数值模拟

为了研究流体在长扭带中的流动特性,特别是水合物浆体的螺旋流动规律,对水合物颗粒在长扭带作用下全程起旋的涡量分布、螺旋流衰减特性及水合物颗粒沉积特性进行数值模拟。模拟结果表明:以长扭带起旋的涡先在扭带压力面产生,并逐渐向扭带中心移动,稳定后又开始向管壁处偏移,最后涡核中心与速度中心重合;以长扭带全程起旋涡量几乎不衰减,且扭率越小涡量越大,涡核中心越集中,涡量越大说明流体微团自旋越强烈,自旋强度越大颗粒越不容易团聚;水合物颗粒质量浓度呈明显的对称分布,集中在扭带边缘处;随着输送距离的增加,水合物颗粒螺旋输送轨迹越明显。所得结论可为水合物安全输送边界条件的拓展提供指导。     

湿气混输管道瞬态输送数值模拟研究

湿天然气在混输过程中管道内会产生凝析液和水,由此带来水合物和腐蚀等一系列安全隐患问题,而现有的多相流模型对湿天然气管道低含液率输送工况的计算适用性较差。为准确预测湿天然气管道的低含液率瞬态流动特性,基于双流体模型和特征线算法提出了一个新的低含液率气液混输瞬态水力计算模型,通过实验验证了模型的计算精度,并针对湿天然气管道长距离输送的供气和储气瞬态过程进行了模拟分析。研究结果表明,建立的瞬态水力计算模型能够较准确地预测湿天然气管道的集液量、集气量、起终点压力变化等瞬态输送过程,模型所采用的差分特征线算法具有较好的稳定性和收敛性。