大起伏地形气液两相流动特性及段塞流瞬态模型研究
油气混输方案的投资和运行费用较少，在石油与天然气开采过程中应用广泛。油田复杂地形地区（深海油田、沙漠油田、长庆油田等）的混输管线由于受地形起伏的影响气液两相在管道内流动状态复杂容易诱发段塞流，给现场安全生产带来很大隐患。目前，相关研究多集中于水平、小起伏或者垂直管道，对于大起伏地形（一般地形倾角大于30°）中气液两相流的研究相对较少。因此，本文对大起伏气液混输管道段塞流的流动特性及瞬态模型开展了一系列实验和理论研究。 首先，针对大起伏地形气液两相流的流型特性进行了详细的实验研究，实验观测到7种不同流型，严重段塞流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ周期性较为明显，在功率谱密度（PSD）图中拥有明显的主频率；段塞流、气团流、乳沫状流、环状流无周期规律，且环状流PSD幅值最小；当Ⅴ型管道上倾管倾角增大、下倾管倾角由-15°变化为-30°时，管道底部下凹区域积液量增多，严重段塞流Ⅰ生成区域增大，环状流生成区域减小；改进的Taitel-Dukler流型判别准则计算结果与不同倾角下的实验数据基本吻合，实验观察气团流区域小于准则计算结果，准则计算环状流区域大于实验观测结果；Ⅴ型管道前后倾角变化对严重段塞流范围影响较为明显，本实验拟合大起伏角度条件下B?e准则的修正系数C为3；将概率密度函数（PDF）特征与支持向量机（SVM）相结合实现流型识别，取得了较好的识别效果，对严重段塞流的识别准确度达到了94%。 随后，分析了不同管道倾角、气液流速下段塞流特征参数变化规律（段塞体平移速度、段塞体长度、段塞体分布、段塞频率、压降）。并根据实验数据对现有段塞特征计算关系式进行优选，得到了计算关系式在大起伏地形下的适用性。 最后，以Renault模型为基础基于段塞流捕获理论建立了模拟段塞形成和发展过程的气液两相流水力计算瞬态段塞流模型。液相方程采用行波法求解，对稀疏波采用激波近似，用近似解代替单元格之间的精确解，并用薄液膜代替干区，使行波法适用于所有计算单元，实现了模型的快速求解。模拟初始阶段管内流型由分层流过渡到段塞流时采用提出的自适应大时间步长格式（ALTS），在保证精度的条件下进一步提高了计算效率。瞬态段塞流模型可以自发地模拟段塞的形成和发展过程。初始时刻气液界面产生微小扰动，管内流型随着扰动的增强由分层流转变为波浪流，进而发展成稳定的段塞流。对比本模型与Renault模型在不同网格数下的计算效率，本模型运算时间相比于Renault模型平均减少30.5%，表明本文所提出的简化方法极大地提高了计算效率。对比实验结果与模型计算结果发现，段塞特征规律与实验结果基本一致，模型在不同管道倾角条件下的瞬态压降、持液率计算结果与实验值基本符合，模型对地形起伏有较好的适应能力。 本文通过对大起伏地形管道内气液两相流动特性研究明确了大起伏地形下段塞流特征参数变化规律以及计算关系式的适用性；以Renault模型为基础采用行波法与自适应大时间步长格式建立了一种大起伏管段快速自动捕获段塞流的形成和发展过程的气液两相流水力计算瞬态段塞流模型。研究结论可用于大起伏地形段塞流的预测及评估，对复杂地形油气混输管道生产安全具有重要意义。
气液混输管道段塞流;流动特性;大起伏地形;段塞捕获;行波法
中国石油大学(华东)
博士
油气储运工程
李玉星
2020
中文
TE832
2023-08-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）