水平分支管路中油水两相流动研究

该文研究了两种直径的直管油水两相流动对流型和相含率的影响和在不同管径的水平并行分支管路中的相含率变化规律.实验设备包括内径为50 mm的水平主管道和内径为25 mm的分支管路.得到了不同入口条件下实验管段的流型和相含率图.实验指出:管道的尺度变化对于流型的影响较小,但对于油水两相的相含率和速度滑移有显著的作用.当油水两相流在并行分支管路中同时流动时,随着入口处水的表观流速增大,并行主管的截面油含率与并行分支管的差距逐渐缩小.     

乳化剂添加对气液垂直管流中压降影响的研究

在石油工业真实管路流动中,几乎都伴有乳化剂的添加。然而由于气液两相流动的复杂特性,考虑乳化剂对立管系统气液两相垂直管流压降影响规律的研究工作,仍十分有限。该文通过理论分析与实验研究相结合的手段,对伴有乳化剂添加的气液垂直管流流动特性和压降特征进行探讨。理论推导部分基于发展的漂移流模型,给出了气体上升聚并过程的物理解释。流动实验部分采用内径为25 mm的有机玻璃管作为实验管路,垂直管段长度为3 000 mm。乳化剂选用工业上常用的十二烷基苯磺酸钠,并在动态实验前进行了物性参数测定,给出了乳化剂对液相介质的影响规律。基于实验结果给出了流动参数间的无量纲关系,并发现乳化剂的添加可以促进流动更加趋于稳定。此外,还对流动过程中的流动形态、持液率、压降特性等进行了探讨,其结果可为今后研究工作提供参考。     

超稠油水在倾斜管路中两相流动的研究

通过实验研究了超稠油(在20°C下,密度为860 kg/m3,黏度为1680mPa.s)、水两相在45°倾斜管中流动的流型和两相压降变化规律.倾斜实验段管线由内径50 mm的透明有机玻璃管组成,向上倾斜管段长为4.5 m.通过实验给出了不同入口条件下实验管段的流型图和两相压降图.结果表明:超稠油水两相在管道中流动流型与低黏度比下的流型具有一定的差异,特别在低入口水相流量下,管道内出现了壁面附着一层油膜而管内部为油水相互掺混流动的流型;油水两相压降随着入口含油率的增加而增加,但在较高入口含油率区域,两相压降出现了一个峰值和峰谷的演变过程.     

竖直较大管径内气液两相流截面含气率实验研究

截面含气率是气液两相流动过程中的关键参数之一.在大管径流道内的气液两相流,弹状流难以形成,与常规通道相比,其流型特征明显不同.适用于常规通道截面含气率的一般计算方法,对于大管径流道而言,其适用性也较差.本文通过研究较大直径圆管内的气液两相流动过程,寻找适合于过渡尺寸流道内两相流动截面含气率的计算方法,从而建立起完整的、针对各个尺度范围内截面含气率的计算方法.实验选圆管直径为50 mm,介于常规通道和大通道之间;以空气和水作为工质,气相、液相折算速度的范围分别为0.05-2.0 m/s及0.01-2.0 m/s.首先利用获得的截面含气率实验数据,对适用于常规通道和大通道的截面含气率计算模型进行了评价;然后通过分析几类漂移流模型计算方法的分布系数和漂移速度的变化规律,解释了Hibiki-Ishii、Kataoka-Ishii、Kawanishi等几个模型计算误差较大的原因.     

管道旋流中油芯的形成条件与形态研究

以石油工业为背景的油水流动是典型的液液两相流。管道中的两相流动研究的主要内容是充分发展之后的流型和压降等。此文通过实验研究了一种非稳态阶段的两相流动—经过导流片之后一段距离之内的两相旋涡流动。实验划分了不同相含率与表观流速下的流动形态,研究了导流片前后的压降规律。     

入口含气率对深海多相混输泵性能影响研究

该文以标准状态下的水(连续相)和空气(离散相)作为流动介质,基于Eulerian-Eulerian非均相流模型,在不同进口含气率工况下对离心式深海多相混输泵内部流动特性进行数值模拟计算,研究离心式深海多相流混输泵的内部流动特性。通过获得叶轮和扩压器内部相态分布情况以及液相速度流线图,探索气液两相流在混输泵内部的流动规律。结果显示:气液两相工况下,混输泵从首级到末级的增压能力变化趋势相同,不同含气率下,末级混输泵的增压能力变化更大,含气率越高对增压能力影响越大;在低含气率下整个流道内的气相分布很均匀,气相更多聚集在叶片吸力面及出口边附近且有沿着叶片吸力面向叶轮出口运动的趋势,当进口含气率大于10%后,叶轮流道内叶片吸力面处出现较为明显的相态分离现象;不同含气率下叶轮和扩压器内压力脉动幅值变化趋势相似,幅值随着含气率的增加不断上升,通过实验结果验证了数值计算所采用的计算模型和方法是可靠的。     

水平井筒变质量分散泡状流压降的理论与实验研究

由于水平井筒和常规水平管道中气液两相流动的相似和差别，可以预知常规水平管流的压降计算方法对于井筒流动来说就需要进行修正或扩展。本文对气、液两相分别应用质量守恒方程和动量守恒方程，考虑管壁存在人流或出流对于分层流流型压降的影响，得到水平井筒气液两相变质量流动分散泡状流流型的压降计算方法。同时，设计并建立了水平井筒流体流动模拟实验装置，在轴向为气液两相流动的前提下分别进行了上管壁单孔眼注入和下管壁单孔眼注入的压降实验研究，获得了大量的实验数据。实验数据和理论计算结果吻合很好，这表明该计算方法具有实际应用价值。     

两相流动中流固两相耦合阻力的数值估计

本文从纳维-斯托克司方程出发,用有限差分法计算粘性流体绕三维均匀正方排列无穷球点阵的流动,以图估计两相流动中颗粒体积率和颗粒雷诺数对颗粒阻力的影响。计算中使用了贴体坐标数值网格生成方法。计算结果和实验结果、经验公式作了比较。考虑到真实两相流动的复杂性及本文采用的力学模型的理想性,可以认为两者吻合较好。     

水轮机转轮内部的三维固液两相紊流计算

利用K-ε-AP两相紊流模型和SIMPLEC法计算水轮机转轮内部的三维固液两相紊流.计算结果给出了水轮机转轮内部的三维固液两相流动的主要流动参数，例如，连续相(液相)和离散相(固相)速度，两相速度滑差，固液两相流动下的压力分布等。     

以纽带起旋的气液螺旋流实验研究

鉴于气液两相螺旋流在实际中的重要作用,且目前国内外对其鲜有研究报道,该文以空气和水为实验介质,利用高速摄像机对以纽带为起旋装置下的水平管内气液两相螺旋流的流型进行了研究.实验研究发现,存在螺旋波状流、螺旋泡状流、螺旋轴状流和螺旋弥散流四种典型的流型,并着重讨论了纽带的扭率对流型转换边界和流动压降的影响.该实验研究为今后对气液两相螺旋流的研究奠定了基础.     

水平管道油-气-水三相段塞流动持液率模型研究

油-气-水三相段塞流型持液率预测往往先将油水两相看作混合均匀的单相，再利用气液两相方法进行计算。这种方法适用于油水混合均匀的段塞流型。但在低气液相流速下，油-气-水三相段塞流型中有时油水是分离的，此时如果使用上述方法，可能导致比较大的误差。研究建立了分离假塞流型（油基和水基）的平均持液率计算新模型。统计分析发现新建模型与实验数据吻合很好。在实验的基础上，将油-气-水三相段塞流型划分为油基／分离／段塞流、油基／分散／段塞流、水基份离／段塞流、水基份散／段塞流四种。研究四种流型表明，在其他条件不变的情况下，对于气液两相流动和分散／段塞流型，持液率随着液相折算速度或液相黏度的增加而增加，随着气相折算速度的增加而减少。但对油基／分离／段塞流和水基／分离／段塞流，持液率则随着气相折算速度的增加，先上升后下降。     

水平圆管内油水两相分散混合液的流动特征

管道内油水两相分散流动中的压降受相含率、相分布和流速等参数的影响,研究表明同一混合液流速条件下,随体积含油率的增大,压降呈现为先增加后减小的趋势,在连续相的相转化点处压降达到峰值。该文结合均相流模型和非牛顿流体流动理论,对管道内油水两相流动的压降进行分析,结果显示已有混合液表观黏度预测模型计算得到的压降与实验值存在较大偏差。综合考虑管道流动中油水两相的相分布特征,优化得到了油水分散混合液表观黏度的预测模型,可应用于计算流动中的压降,且精度均在10%以内,为管道混输系统的设计,以及两相分散流动理论的发展提供可靠的理论依据。     

管径对垂直上升管内气液两相流流型的影响

以空气和水作为介质,在管径分别为20mm与8mm的垂直上升管内进行了常压下气液两相流流型的实验研究,得到了这两种管径下泡状流、弹状流、乳状流和环状流等流型,得到的绝大部分实验点与Hewitt和Roberts流型图相符合,并根据实验结果修正了流型图的转化边界.对于气液两相流垂直上升流动,环状流发生所需的气相折算速度几乎不随液相折算速度的变化而变化.不同管径条件下,各种气液两相流流型发生的范围和转换趋势基本一致,乳状流向环状流的转换界限基本重叠,而泡状流与弹状流的界限变化大一些.由于弹状流的换热与泡状流的换热完全相同,因此泡状流与弹状流的界限误差对传热而言并不重要,可以忽略管径对Hewitt和Roberts流型图的影响.     

水平井筒油水变质量分散流动压降研究

针对水平井筒中油水两相变质量流动,从理论和室内实验两个方面对分散流型下压降进行了研究,着重考虑壁面流体的流入对壁面摩阻系数的影响与不同流型间的转换。根据质量守恒、动量守恒方程,建立了水平井油水两相分散流型下压降预测模型。采用水、白油为实验介质,测量了水平管不同注入比、不同含水率下油水两相流压降值。实验结果分析表明,当含水率为40%时,油水发生反相,管道中流动压降最大,这和Brinkman/Roscoe混合黏度公式计算出的反相点一致。同时,压降模型预测结果与实验结果相比较平均相对误差为13.6%。     

叶片式泵内气液两相泡状流的三维数值计算

为研究旋转叶片式泵中的气液两相流动规律及泵性能，本文根据气泡泡状流模型提出了一个两相流三维数值分析方法。该数值计算由两部分的计算迭代完成，第一部分是已知含气率分布的连续相(液相)流场的计算。液相流动方程的三维数值求解采用了流面坐标迭代法。第二部分是已知液相流场后的分散相(气泡)轨迹的计算。气泡运动方程中考虑了流场压力梯度差产生的力、气泡周围液体产生的阻力及由于液相质量产生的惯性力等影响气泡运动的因素。通过对气泡运动方程进行数值求解，可得到泵内的含气率分布。再将两部分的计算进行反复迭代，最终得到收敛解。本文将该三维两相流数值计算方法用于多级螺旋轴流式增压泵叶轮的计算、设计。计算结果表明：从叶轮回转面上看，气泡运动转轨并不明显地偏离液相流线。然而从叶轮子午面上看，几乎所有的气泡，不论其初始位置如何，它们最终都移向轮毂表面。该三维两相流数值计算以其简单实用的特点，有望成为工程中气液两相增压泵的一种有效设计工具。     

虹吸管气液两相流压降特性试验

通过系列试验量测了不同安装高度、不同水位差时虹吸管水平管段的压降、含气率及过流量,探讨和分析了虹吸管气液两相流压降的变化规律及气液两相流流型不同时影响管道压降的因素。结果表明,气液两相流管道压降与液相满流时压降规律相同,即压降值随管道水头的增大而增大;但是,与液相有压管流不同,水位差一定时压降值随安装高度的增大而减小。当虹吸管内为气泡流时,气泡存在对沿程阻力系数λ影响很小,可忽略不计。管道实测压降小于计算值的原因是气液两相压降减小率等于流速减小率。当虹吸管内为过渡流和气团流时,气液两相压降减小率与流速减小率相差较大,实测压降的减小不仅与流速减小有关,含气率的大小对气液两相压降的影响也不可忽略,含气率的增大使气液两相流动阻力增大,即压降增大。     

液体在润湿性微管中流动的边界负滑移特征

该文通过分子动力学模拟,研究了亲水性壁面不同通道宽度中滑移长度的特征.结果表明在小剪切率下壁面存在负滑移,流体在固壁边界受到黏附力作用.在相同润湿性下,通道宽度不影响滑移长度,滑移长度只随壁面附近流体剪切率的变化而变化,滑移长度的绝对值随剪切率的增大而减小,当剪切率增大到某一值后滑移长度趋于定值.随后对去离子水在直径为10μm的亲水性微管内的流动进行了实验研究,并与分子动力学模拟结果进行了比较.实验结果表明:在低速流动下(剪切率较小时),去离子水在微管内流动的流量与剪切率呈线性关系,且存在启动压力梯度,这是由于去离子水在微管内流动时的边界负滑移造成的,且滑移长度与剪切率呈非线性关系,随着剪切率的增大,实验值趋近于某一稳定值.这一实验结论与分子动力学模拟结果吻合的很好,表明了流体在润湿性微管内流动时,边界存在负滑移,固壁边界附近存在不流动的黏附层,这也是液体在低渗透多孔介质中渗流时存在启动压力梯度的原因.     

CFD在风洞循环水槽设计中的应用

上海交通大学在建的风洞循环水槽设备由低速风洞和循环水槽两部分组成,由于该实验设施的独创性使得设计上存在诸多难点.本文采用CFD数值模拟,探讨提高串列式双试验段风洞的流场指标的方法,预测因地基沉降造成的水槽倾斜对循环水槽计测部流场的影响.风洞风扇段的计算结果与实验数据吻合良好.风洞内部流场的整体模拟再现了流动分离等现象,而在扩张段中安装分隔板有效地抑制了流动分离,显著提高了试验段流场的均一性.旁路风道拐角处导流片采用双圆弧型时效果较佳.循环水槽倾斜影响研究结果表明稍大的倾角可以引起计测部波面的较大变化,且计测部末端有气泡产生,而在微小倾角时,波面变化不明显,可正常进行试验.     

管柱式气水旋流分离器分离率的数值模拟研究

采用计算流体力学数值模拟方法研究了管柱式气水旋流分离器的分离效率及其影响因素。采用标准k ε湍流模型对倾斜入口管柱式气水旋流分离器内的连续相流动进行数值模拟,得到了分离器内连续相的速度场分布。采用拉格朗日随机轨道模型对分离器内气泡的运移轨迹进行了模拟,同时计算得到了管柱式气水分离器的气泡分离率。模拟结果的分析表明气泡直径、分离器长径比以及入口流速等参数对管柱式气水旋流分离器的气泡分离率均有显著影响,这一结果为管柱式气水旋流分离器的工艺设计以及工作参数的选择提供了参考依据。     

垂直上升通道内气液两相绕圆柱流动旋涡脱落频率和脉动升力的数值模拟

采用有限容积法，综合考虑了由剪切引起的紊流和由气泡引起的紊流关系式，基于RNGk-ε紊流模型对气液两相绕圆柱流动进行了数值模拟。通过计算发现：对于气一液两相绕圆柱流动而言，旋涡脱落频率随含气率的增大而增大；脉动升力系数先随含气率的增大而缓慢增加，在含气率增大到0．1后增大得较快。并通过实验对模拟结果进行了验证，实验结果与模拟结果较吻合，验证了模拟结果的正确性。