水平管稠油掺气减阻模拟实验

依托流体可视化环道装置,设计并加工稠油掺气减阻模拟装置,实验研究水平管内两种稠油模拟油掺气流动阻力特性,拍摄不同气液流量比下的管流流型,分析不同实验条件下气相对稠油的减阻效果并建立相应的压降预测模型。结果表明：在气液比0~15范围内,共观察到六种流型,分别是泡状流、弹状流、分层流、段塞流、环状流、雾状流。220^#与440^#模拟油所对应的管路减阻率分别在气液比1.17和0.96时达到最大值48.19%和33.76%,当掺气比为0.9~1.2时,减阻率均可维持在20%以上。其机理可归结为空气使油-油接触转变为油-气-油接触,降低了混合相的层间剪切应力。Dukler法不适用于高黏气液两相流,所建立的稠油-气两相压降模型预测值与实测值吻合良好,平均相对误差在20%以内。     

聚丙烯酰胺对高黏油-水环状流流动特性的影响

针对稠油水环输送的水环流动改进问题,提出稠油流动边界层在聚丙烯酰胺（PAM）水环作用下的模拟实验方法,基于自主研发设计的室内油-水两相流可视化环道实验装置,采用500#白油模拟旅大稠油,实验研究了稠油-水环状流外环水相中添加PAM前后的流型特征与阻力特性,评价了PAM对水环润滑的协同减阻效果,分析了PAM对水环流动稳定性的作用机理。实验结果表明：PAM对稠油-水环状流的流型特征与阻力特性均有显著影响,使环状流的分布区域缩小,其缩减区域转变为分层流和塞状流,当其为分层流时减阻作用丧失;当油相表观流速为0.23～0.90m/s时,PAM减阻率随含水率增加先迅速增大后缓慢减小,在测试范围内最高达35%。研究结果可为稠油水环输送工艺优化提供理论指导和技术支持,也可为稠油管输流动改进提供新理念与新方法。     

气液螺旋环状流压降特性研究

考虑旋流衰减的影响,对气液螺旋环状流的压降特性进行研究并推导出了螺旋环状流压降预测模型。定义压降旋-直比系数为气液两相螺旋环状流和气液两相直流的压降之比,以此来表征旋流衰减对压降的影响。基于量纲分析的方法对压降旋-直比系数进行分析,推导出其表达式,压降旋-直比系数依赖于Lockhart-Martinelli 参数和气相Froude数变化。最终,得出了气液两相螺旋环状流的压降预测模型。在50 mm内径的水平管内对螺旋环状流的压降特性进行了实验研究,其中气相表观流速变化范围为10~16 m/s,体积含液率（LVF）变化范围为0.6%~4.8%。通过与实验数据进行对比,压降预测模型的相对误差在±15%以内,为工程应用提供了参考。     

稠油流动边界层水基泡沫减阻模拟

针对稠油水环输送的中心油流偏心问题,提出稠油流动边界层在AFS-2水基泡沫作用下的模拟实验方法,设计加工相应的管流模拟装置及泡沫发生、注入与泡沫层生成系统.用201甲基硅油模拟稠油,实验研究稠油在水基泡沫作用下的水平管流阻力特性,分析泡沫与硅油的流速与流量比对硅油流动流型和减阻效果的影响.基于上部泡沫-下部液膜复合边界层假设,建立硅油-泡沫-液膜中心环状水平管流的压降预测模型.结果表明:20℃室温下,当泡沫与硅油流量比为0.2～0.5时,硅油流动减阻率高于70%,其机理可归结为油壁间形成了上部泡沫-下部液膜的复合隔离润滑层;理论预测值与实验测量值吻合良好,相对误差为－17.55%～9.76%.     

气液并流筛板流态的模拟

文章利用CFX软件对开孔率为17%、150×120 mm的矩形气液并流筛板的气液两相流态进行模拟,分析了气液两相并流筛板的传质传热机理及筛板压降产生的主要原因。通过模拟研究了气液两相并流时气相和液相流量变化分别对塔板压降产生的影响。     

表面活性剂添加对气液两相流摩阻压降特性的影响

研究了表面活性剂添加对水平管内气液两相流摩阻压降特性的影响.实验中选用了环境友好的纯度为95%的十二烷基硫酸钠(SDS)作为减阻添加剂,浓度为100 mg•kg^-1.结果表明阻力减小率与流型有关,分层流型的阻力减小率可达83.3%、塞状流型和弹状流型的阻力减小率可达83.2%、环状流型的阻力减小率可达31.2%.表面活性剂可以通过改变液体物性和改变流型两个方面来影响气液两相流摩擦压降.     

TEP系统脱气塔的操作特性与压降实验

针对压水堆核电站TEP系统中的脱气塔,分析其操作特性,建立筛板填料气液并流的实验装置来研究其两相流压降特性,并提出压降预测关联式。结果表明,脱气塔使用的堆叠筛板填料和总体逆流分段并流气液接触方式使得脱气塔结构简单,流体力学性能优良,处理量大;气体单相流和气液两相流的压降与筛板数、气液两相流量和两相之间相互作用有关;压降预测关联式计算值与实测值的误差在10%以内。     

水平管内水环输送模拟稠油减阻特性

基于自主设计加工并搭建的水环输送稠油减阻模拟管路系统,采用500^#白油模拟稠油,试验研究了稠油在水环作用下的水平管流阻力特性,分析了油相表观流速（0.3～1.0m/s）、水相表观流速（0.11～0.72m/s）及入口含水率（0.13～0.49）对水润滑管流流型特征及减阻效果的影响。结果表明：环状水膜可有效隔离并润滑油壁界面,油-水两相流流型总体上呈稳定的偏心环状流结构;水环输送可大幅降低管道输送过程中的压降,其压降值仅为相同油流量下纯油输送压降的1/55～1/27;当入口含水率为0.13～0.27时,水环输送的效能显著,输油效率均高于40;油相表观流速和入口含水率的增加会增大单位管长压降,降低水环输送的减阻效果和输油效能。     

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。     

液相介质对水平气液间歇流动的压降影响

研究了水平管内不同液相介质(水、油和不同浓度的CMC溶液)对气液两相间歇流动压降的影响. 实验管道为内径50 mm的透明有机玻璃管,从入口到分离器长约30 m,实验段由2个长3 m的水平管组成. 共记录了320组不同表观流速下的压降信号：油相0.17~1.85 m/s,水相0.17~2.48 m/s,CMC溶液0.17~1.42 m/s,气相0.06~3.40 m/s. 结果表明,液相为牛顿流体(油或水)的气液流动,随着表观气相流速的增大,压降呈增加趋势;非牛顿幂率流体(不同浓度的CMC溶液)的管道流动,当流动指数低于一定值时,压降随气相流量的增加呈降低趋势,并且低于单液相流动的压降. Lockhart-Martinelli模型过高地预测了气-非牛顿幂率流体两相的压降.     

矩形截面弯曲型微通道气液两相Taylor流压降的研究

主要测定了低分压CO_2(混合气相组成为5%CO_2和95%N_2,简写为CO_2/N_2)在矩形截面多弯头微通道中气-液两相Taylor流的流动压降。通过对比六个气液相体系,发现液相的物理性质对气液两相Taylor流压降的影响显著不同。表面张力变化组(CO_2/N_2-水、CO_2/N_2-2%正丙醇水溶液和CO_2/N_2-5%正丙醇水溶液)的气液两相Taylor流压降随液相流速的增大呈现线性增长趋势;黏度变化组(CO_2/N_2-甲醇、CO_2/N_2-乙醇和CO_2/N_2-正丙醇)的气液两相Taylor流压降随着jL2/3变化而呈现规律性增大。重点考虑了弯曲通道二次流和液弹内循环的贡献,同时分析考虑了气泡的形状及其运动、通道特征参数和液相的物理性质,提出了新的气液两相Taylor流压降的表观摩擦系数模型,在±20%误差范围内获得了良好的预测效果。     

等温气液混合器压降研究

实验研究空气-水两相流体通过等径90°T型管混合器进行混合的压降.结果表明,在实验范围内,混合后气液两相混合物的流动流型为环雾流,其压降主要与两股混合物流的动量比有关.根据混合后气液两相混合物的流动流型,模拟计算空气-水系统的压降,计算结果与实验结果较为吻合.利用该计算模型分析气液流量对混合器压降的影响.     

大流量下倾斜管气液两相流实验研究

在较高的气液范围内,以水和空气为实验介质,在多相流实验平台上进行了倾斜向上的高产量气液两相流模拟实验研究。实验采用内径为40 mm、长8 m的透明有机玻璃管,并利用高速摄像仪记录实验过程中的流型。对实验流型进行分析,发现了倾斜管中低气流速下的一种新的流型-振荡冲击流,并研究了表观气、液流速和倾斜角对气液两相流动中压降的影响,建立气/液膜流动模型来分析表观气、液流速对压降梯度的影响作用,实验研究结果表明:在高气液量范围内,倾斜管中观察到的气液两相流型主要为振荡冲击流、过渡流和环状流,并且倾角对流型转变边界的影响不显著;振荡冲击流压降随气流速的增加而降低,环状流压降随气流速的增加而增加,过渡流压降梯度最小;倾斜管压降梯度随着倾斜角度的增加而增大。     

水平管路水环输送稠油减阻模拟实验

随着石油开采的增加,黏度较大的稠油输送受到越来越多的关注。基于自主设计的两相流水环输送稠油实验系统,模拟并开展了水环输送稠油实验。拍摄了水环发生器在不同间隙尺寸下的流动流型,分析了不同实验条件下的水环输送稠油减阻效果。结果表明:水环输送可以大大降低管道输送过程中压降;结合实验和模拟,水环发生器间隙尺寸在0.9～1.4 mm时,水环的减阻效果最好;流速增加会增大单位管道上的压降,降低水环输送的减阻效果。     

水平管路水环输送稠油减阻模拟实验

随着石油开采的增加，黏度较大的稠油输送受到越来越多的关注。基于自主设计的两相流水环输送稠油实验系统，模拟并开展了水环输送稠油实验。拍摄了水环发生器在不同间隙尺寸下的流动流型，分析了不同实验条件下的水环输送稠油减阻效果。结果表明：水环输送可以大大降低管道输送过程中压降；结合实验和模拟，水环发生器间隙尺寸在0.9～1.4 mm时，水环的减阻效果最好；流速增加会增大单位管道上的压降，降低水环输送的减阻效果。     

非线性振动下水平通道气液两相流动

将振动装置与气液两相流实验回路相结合,对非线性振动工况下水平通道内气液两相流进行实验研究。重点考察了不同振动参数对流型转换界限及摩擦压降的影响。流型图表明,非线性振动工况和稳态工况下的气液两相流动形式不同,提高振动的频率和幅度会导致流型转换界限发生改变。由实验得到的气液界面分布结果表明,振动频率对相界面波动程度有显著影响,而振动幅度则主要影响截面含气率。最后对比了非线性振动工况下的摩擦压降和经验公式的计算结果,发现两者在数值和分布上均无明显差异,说明稳态下两相流摩擦压降计算公式同样适用于非线性振动工况。     

非线性振动下水平通道气液两相流动

将振动装置与气液两相流实验回路相结合,对非线性振动工况下水平通道内气液两相流进行实验研究。重点考察了不同振动参数对流型转换界限及摩擦压降的影响。流型图表明,非线性振动工况和稳态工况下的气液两相流动形式不同,提高振动的频率和幅度会导致流型转换界限发生改变。由实验得到的气液界面分布结果表明,振动频率对相界面波动程度有显著影响,而振动幅度则主要影响截面含气率。最后对比了非线性振动工况下的摩擦压降和经验公式的计算结果,发现两者在数值和分布上均无明显差异,说明稳态下两相流摩擦压降计算公式同样适用于非线性振动工况。     

气液逆流洗涤器内两相流场的实验研究与数值模拟

采用RNG k-ε湍流模型和欧拉双流体多相流模型模拟了气液逆流接触洗涤器内的两相流场,将计算结果用实验验证.通过考察两相流速、湍流强度、压降、气含率等参数验证了模型的可靠性,对不同喷嘴结构和操作条件下的泡沫区流场特性进行了模拟分析.结果表明,气液撞击形成的泡沫区湍流强度高,气液两相径向与切向速度较大,轴向速度较小,可用湍流强度大小表征泡沫区的大小.泡沫区占整个洗涤器的体积分数β随气液质量流量比增大先增大后减小,气液质量流量比为0.0096时达峰值;随进液轴/切流量比增大β先增大后减小,流量比为0.66时达峰值.喷口直径为8 mm、切向进液倾斜角为60°时气液传质效果最好.     

撞击式泡沫洗涤器流场数值模拟

采用k-ω湍流模型和拉格朗日两相流模型模拟了撞击式泡沫洗涤器内气液逆流接触的两相流场,通过分析中心截面的气相速度分布,可将气液两相相互作用区分为回流区、泡沫区和壁面环流区3个区域;探索用液相浓度分布来定量表征泡沫区即有效传质区的范围;考察了5种工况下洗涤器压降的模拟结果,并与试验结果相对比吻合较好(相对误差小于10%),验证了模拟的可靠性。     

基于OpenFOAM模拟精馏塔板的气液流动

本研究对筛孔型精馏塔板上的空气-水两相流进行了模拟，模拟方法采用基于开源软件平台OpenFOAM的双流体模型框架。模拟体系选用Solari-Bell经典实验体系，研究了不同操作条件下的气液两相流动参数，包括清液层高度、气相速度、液相速度和塔板压降等，模拟结果与实验结果的变化趋势基本一致。基于CFD模拟结果，分析了不同工况下塔内气液两相速度场与气含率分布等流动参数，结果表明本工作可以较好地捕捉塔板上的气液流动特征。进一步地，讨论了应用OpenFOAM模拟精馏塔内气液两相流动的若干影响因素，在此基础上分析了气液错流体系相间曳力对模拟结果的影响，实现了与使用商业软件模拟结果相接近的预测效果，验证了使用OpenFOAM模拟精馏塔体系的可行性。