气液混输管线与悬链线立管系统严重段塞流数值模拟

合集下载

《2024年水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》范文

《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言在许多工业应用中，如石油、天然气和化学工业中，气液两相流是非常常见的流动状态。

对水平管内气液两相流的流型进行深入的研究对于提升设备的效率和可靠性具有重要意义。

本论文通过数值模拟和实验研究的方法，探讨了水平管内气液两相流的流型特征及其变化规律。

二、文献综述在过去的几十年里，许多学者对气液两相流进行了广泛的研究。

这些研究主要关注流型的分类、流型转换的机理以及流型对流动特性的影响等方面。

随着计算流体动力学（CFD）技术的发展，数值模拟已成为研究气液两相流的重要手段。

同时，实验研究也是验证数值模拟结果和深化理解流动机理的重要途径。

三、数值模拟1. 模型建立本部分首先建立了水平管内气液两相流的物理模型和数学模型。

物理模型包括管道的几何尺寸、流体性质等因素。

数学模型则基于质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本物理定律，并考虑了气液两相的相互作用。

2. 数值方法采用计算流体动力学（CFD）方法对模型进行求解。

通过设置适当的边界条件和初始条件，得到气液两相流的流动状态。

此外，还采用了多相流模型和湍流模型等，以更准确地描述气液两相的流动特性。

3. 结果分析通过数值模拟，得到了水平管内气液两相流的流型图、流速分布、压力分布等结果。

分析这些结果，可以深入了解流型的转变过程和流动特性。

四、实验研究1. 实验装置设计了一套用于气液两相流实验的装置，包括水平管道、气体供应系统、液体供应系统、测量系统等。

通过调节气体和液体的流量，可以模拟不同工况下的气液两相流。

2. 实验方法在实验过程中，通过观察和记录流动现象，获取了流型、流速、压力等数据。

同时，还采用了高速摄像等技术，对流动过程进行可视化分析。

3. 结果分析将实验结果与数值模拟结果进行对比，验证了数值模拟的准确性。

同时，还分析了不同因素（如管道直径、流体性质等）对气液两相流流型的影响。

五、结论与展望通过数值模拟和实验研究，得到了以下结论：1. 水平管内气液两相流的流型受多种因素影响，包括管道直径、流体性质、流速等。

油气混输管道段塞流模拟及段塞流捕集器设计研究

65段塞流是多相管流最常遇到的一种流型，在许多操作条件下（正常操作、启动、输量变化）混输管道中常出现段塞流。

其特点是气体和液体交替流动，充满整个管道流通面积的液塞被气团分割，气团下方沿管底部流动的是分层液膜。

管道内多相流体呈段塞流时，管道压力、管道出口气液瞬时流量有很大波动，并伴随有强烈的振动，对管道及与管道相连的设备有很大的破坏。

为确保管道下游的工艺装置正常运行，应设计段塞流捕集器[1]。

1 流态及计算关系式1.1 流态TDB流态图以气液相表观流速为纵横坐标，将气液两相流动分为五种流态。

TDB流态图如图1所示。

图1 TDB流态图1.2 计算关系式段塞流的段塞单元由液塞区和液膜区组成。

液塞区不含气相，持液率等于1；液膜区上方有气泡，持液率小于1[2-4]。

（1）布里尔（BRILL）关系式。

最早应用，假设段塞流大小是流体流速和管径的函数。

（2）诺里斯（NORRIS）关系式。

艾克森石油公司开发，假设段塞流大小是管径的函数。

（3）斯科特（SCOTT）关系式。

SCOTT本人的博士论文，和NORRIS方法相同但增加了段塞发展的概念。

目前一般使用SCOTT关系式，且假设液塞长度按对数正态分布，最大液塞长度出现的概率为0.001。

2 段塞流分类2.1 水动力段塞流管道内气液表观流速处于流态图段塞流范围内所诱发的段塞流。

2.2 地形起伏诱发段塞流由于液相在管道低洼处积聚，局部堵塞气体通道而诱发的段塞流，常在低气液流量下发生。

2.3 强烈段塞流通常在两海洋平台间的连接管道上发生。

定义为：液塞长度大于立管高度的段塞流[1]。

油气混输管道段塞流模拟及段塞流捕集器设计研究张庚兴1 石小磊2 丁晗31. 中油（新疆）石油工程有限公司新疆乌鲁木齐 8300262. 新疆金戈壁油砂矿开发有限责任公司新疆克拉玛依 8340003. 中国石油塔里木油田分公司油气生产技术部新疆库尔勒 841000摘要：油气混输管道经常出现段塞流，泰梯尔-杜克勒-巴衲（TDB）流态图将油气两相流动分为五种流态，段塞流可分为三种类型。

气举法控制深水混合立管严重段塞流实验研究

调节至某实验工况点，管在内流动的周期性波动稳定后开始进行注气控制，隔３分每钟增大一次注气量，直至注气折算速度达到约２ｓ保０ｍ／，存实验数据。
３实验结果分析
３１流型图．
图３为不同注气折算速度时深水混合立管内两相流流型图，３中曲线为稳定图
作，至找到所有，直与
对应的分界点。而在注
气实验阶段，启注气折算速度。至某一固定量开－后，进行不注气实验阶段相同的操作。这样就得再出了２组不同注气条件下的流型分界点数据。
的管径为５．０８ｍｍ。
定流的判别标准是下倾管中的液相是否会出现回
流。当液相回流时，明下倾管中气相压力增率小说
（）据测量及采集系统：对实验进行实时监４数是控和数据测量采集的工具。实验系统采集的数据包括压力Ｐ～Ｐ、压差ＤＰ～ＤＰ、液率ＨＨ持～、
幅度不大。
１０
温度～Ｔ、相体积流量ＱＧ～Ｑ液相体积气Ｇ、流量ＱＬＬ～Ｑ等。通过气液相体积流量分别间接
得到气液相的折算速度（实验中按５．０８ｍｍ管径的
截面积计算气液折算速度）实验用到的折算速度包，
ｅｓＣ］ＨｏｏｕｕｔｅＡＳＥ２ｔｎｅｎｔｎｌｏｆｒｎｅｒ［．ｎｌｌ，ｈＭ８ｈＩｔｒａｉａＣｎｅｅｃｏ

《2024年水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》范文

《水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究》篇一一、引言随着能源、化工等领域的不断发展，水平管内气液两相流的研究变得日益重要。

在许多工业过程中，如石油开采、管道输送、冷却系统等，都需要对气液两相流进行深入的研究。

气液两相流的流型对管道的输送效率、安全性能以及系统设计都有重要的影响。

因此，本文对水平管内气液两相流的流型进行了数值模拟与实验研究，以期为相关领域的实际应用提供理论依据和参考。

二、流型分类与数值模拟方法水平管内气液两相流的流型主要分为泡状流、弹状流、泡状-弹状混合流、环状流等。

这些流型具有不同的流动特性和相互转换的规律。

为了更好地研究这些流型的特性，本文采用了数值模拟的方法。

数值模拟主要采用计算流体动力学（CFD）方法，通过建立数学模型，对不同流型下的气液两相流进行模拟。

在模拟过程中，考虑了流体物性、管道尺寸、流动速度等因素对流型的影响。

同时，采用适当的湍流模型和两相流模型，对气液两相的相互作用和流动特性进行描述。

三、实验研究方法与结果分析为了验证数值模拟结果的准确性，本文还进行了实验研究。

实验采用水平管道装置，通过改变气液流量、管道尺寸等参数，观察并记录不同流型下的流动特性。

实验结果表明，随着气液流量的增加，流型逐渐由泡状流向环状流转变。

在泡状流中，气泡分散在连续的液相中；在弹状流中，较大的气泡或气团交替出现在连续的液相中；而在环状流中，气体核心包裹着液体在管道中流动。

这些流型的转换规律与数值模拟结果基本一致。

此外，实验还发现，管道尺寸对流型也有显著影响。

当管道直径增大时，更易形成环状流；而当管道直径较小时，更易形成泡状或弹状流。

这为实际工程应用中管道设计和优化提供了重要的参考依据。

四、数值模拟与实验结果对比分析将数值模拟结果与实验结果进行对比分析，可以发现两者在流型转换规律和流动特性方面具有较好的一致性。

这表明本文采用的数值模拟方法具有较高的准确性和可靠性，可以为实际工程应用提供有效的预测和指导。

气液混输组合管线系统严重段塞流特性实验

０前言
海洋油气开采中，组合输送管路包含有沿海底铺设的卧底管道系统，及将油气资源从海底输送到海面平
台的立管系统。由于地形起伏等原因，卧底管道有可能会出现水平和倾斜等组合形式。为降低开发成本，加
快开发速度，油气输送中常采用混合输送形式。针对水平管中气液两相流动的研究已较多［，１目前最为关］
ＰｉｌｎｓｅｗｉｈＤｉｆｒｎｔＲｉｅｉｈｓｐｅｉｅＳｙｔｍｔｆｅｅｓｒＨｅｇｔ
ＴＡＮａＷＵ，ＧＡＯｏｇ，ＬＩＷｅ，ＹＯＵｎｘｉｎＬｉｎ— ＳｎｉＹｕ — ａｇ，ＹＵＺｈｏｇ，ＨＴｉｎｑｎｎＵａ — ｕ
（ｈｎｈｉｉｏｏｇＵｎｖｒｉｙＳａｇａ０００，Ｃｈｎ）Ｓａｇａａｔｎｉｅｓｔ，ｈｎｈｉ０３Ｊ２ｉａ
ＡｂｔａｔＩｈｓｐｐｒｅｉｓｅｐｒｍｅｔｏｈｈｒｃｅｉｔｓｏｈａ —ｉｕｄｓｖｒｓｒｃ：ｎｔｉａｅ，ｓｒｅｘｅｉｎｓｆｒｔｅｃａａｔｒｓｉｆｔｅｇｓｌｉｅｅｅｃｑｓｕｇｎｎａｈｒｚｎａ／ｅｌａｉｎｐｐｌｅｒｓｒｓｓｅｗｉＷＯｄｆｅｅｔｒｓｒｈｉｈｓｗｅｅｌｇｉｇｉｏｉｏｔｌｄｃｉｔｏｉｅｉ — ｉｅｙｔｍｔｔｉｒｎｉｅｅｇｔｒｎｎｈｆ

气液混输管线水动力严重段塞流实验

气液混输管线水动力严重段塞流实验高嵩;尤云祥;俞忠;胡天群;谭练武【摘要】水动力严重段塞流型相比于一般的地形严重段塞流发生范围更广且危害类似,因此需要在工程设计上给予关注.在水平-下倾-立管组合管线实验装置上,针对入口处不同气液两相流量组合,对该种组合管线系统中气液两相流特性开展了实验研究,获得了水平管和立管内气液两相流型图.实验发现,当水平管内流型处于分层流向段塞流过渡阶段时,可能会出现间歇式的阻塞流,该阻寒流如能进入立管,则立管内会出现类似于严重段塞流的流型,称为水动力严重段塞流.对该流型的演化及气液流动过程进行分析,获得了周期及压力波动与入口气液流量之间的相关关系,以及该流型形成机理及其发生范围.实验结果揭示了水动力严重段塞流的相关机理,为工程设计上的危害预防和缓解方案提供了理论基础.%Severe slugging occurs in a wide range of gas and liquid flow rates; such a phenomenon receives considerable attention in engineering studies. Experiments on the gas-liquid two phase flow in a horizontal/inclination pipeline connected with a riser were conducted. The flow patterns in both the horizontal pipeline and riser were presented under a different inlet flux of the gas and liquid. Results show that the blocking flow will occur intermittently in the stage where the flow patterns in the horizontal pipeline are transited from the stratified to the slug flow. Once the blocking flow enters the riser, a new flow pattern will be formed called severe hydrodynamic slugging which has similar characteristics with severe slugging. The forming mechanism and occurrence range of such a severe hydrodynamic slugging were analyzed, and the relationships of the inlet gas and liquid flow rates withthe flow period and pressure fluctuation magnitude were presented. The present experiments provide a theoretical basis for damage prevention and relief designs of such a phenomenon in petroleum production.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2011(032)011【总页数】6页(P1416-1421)【关键词】油气输送;两相流;组合管线;严重段塞流;压力波动【作者】高嵩;尤云祥;俞忠;胡天群;谭练武【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240【正文语种】中文【中图分类】O359.1在海底油气开采过程中，主要通过铺设在海底的管线和连接到海洋平台的立管系统将储存于海底的油气输送到海洋平台上.随着海洋油气开发向深海发展，位于海底的混输管线越来越长，当管内气液流量较低时，容易出现称为严重段塞流(severe slugging)的特殊有害流型.严重段塞流是一种具有很强的周期性的流型，表现为管内压力和出口气液流量呈现周期性剧烈波动，不仅会造成油井大幅减产，而且管线出口的断流和剧烈出流交替出现会给下游处理设备造成问题［1］.这些都会给正常生产带来困难，严重时还会导致停产等事故.此外，严重段塞流的液气强烈喷发还会加剧管壁腐蚀，尤其是对立管管壁的腐蚀，而且喷发带来的压力剧烈波动会引起管道的振动，造成管线接头和支柱的机械损害，缩短其使用寿命，对作业平台的结构强度、安全性和稳定性构成危害［2］.严重段塞流危害程度与立管内流型及物理参数变化规律相关.为此，有必要对该流型的形成机理及其流动特性进行深入研究，以便于寻找有效措施来减缓或避免上述危害.严重段塞流现象自1973年被提出后，引起了国内外学者的广泛关注，文献［3-5］等采用模型试验方法开展深入研究，研究的方向主要集中在严重段塞流产生机理、严重段塞流分类方式、管内流型流态的变化特性、管内液塞速度、液塞长度、压力波动、流动周期等参数的变化特性，以及探索控制缓解其危害的方法等方面，并取得了许多重要成果.本文采用水平管—下倾管—立管管线系统，对水动力严重段塞流特性进行实验研究.在该实验装置中，下倾管段设计得较短，这种设计其目的在于使水平管中的阻塞流进入到下倾管后不会消失，能够在立管中形成水力严重段塞流.在实验中，对出现水动力严重段塞流的气液流量组合及其产生机理与压力波动特性等进行了分析与研究.1 管线系统实验装置介绍实验在上海交通大学海洋工程国家重点实验室多相流实验系统上进行，实验管道是由水平管、下倾管和立管组成的管线系统，如图1所示.其中，HI段为水平管，长度L2=16.692 m;IJ段为下倾管，长度L3=0.61 m，倾角β=3°;JK段为立管，高度 L4=3.74 m.为了便于观察，管道均采用内径0.026 m的透明有机玻璃管.水路系统主要由集水器、水泵、稳压水箱、液体流量计量及控制器等组成，气路系统主要由空气压缩机、稳压气罐、气体流量计量及控制器等组成.气液混合器设置在H 处，它与液体入口G之间的距离为L1=4.455 m.实验过程中，气体进流流量采用ALICAT公司生产的流量计进行测量，量程范围为0～50 L/min.该流量计同时内置有一个比例调节阀，可通过PID控制器来自动调节阀门开启度，以保证气体进流流量的稳定性.采用美国Thermal Instrument Company生产的9 500型热式质量流量计对液体进流流量进行测量，量程范围为0～50 L/min.液体流量控制器由德国福林公司生产的电动调节阀及虹润精密仪器有限公司生产的PID控制器组成，由PID控制器根据当前液体流量自动调整电动调节阀开启度，以保证液体进流流量.在水平和垂直管段各布置了一台数码摄像机，用来研究水平管与立管中气液两相流型特征及其相关关系，并分析各种流型的产生机理及其演化特征.在下倾管与立管连接弯头处(即图1中J点)，设置了一个压力传感器，用来对管道内压力变化特性进行测量分析，并研究其与相关流型之间的关系，量程范围为0～50 kPa.图1 试验系统示意Fig.1 Sketch of the experiment systemA-气体进口，B-气体流量计量及控制器，C-集水器，D-液体进口，E-水泵，F-稳压罐箱，G-液体流量计量及控制器，H-气液混合器.2 实验描述及结果分析气液两相混输管道中，入口处气液相折算速度是决定管内流型的关键参数，实验主要通过调节入口处气液两相质量流量来实现调节入口处的折算速度.实验介质采用空气和水，试验参数范围为气相折算速度 0.036 ～1.45 m/s，液相折算速度0.036 ～1.45 m/s.实验过程中，首先调节液体流量控制阀，使管道入口处液体进流量保持稳定，打开气阀，调节气体流量观测水平与立管中的流型变化.2.1 水平管与立管中流型特征图2、3给出了管线系统内气液两相流动的流型图.Vsg为气体在出口状态下的折算速度，Vsl为水的折算速度.本次实验中，水平管内共观察到了4种流型，分别为分层流、阻塞流、气团流和段塞流，而在立管中则观察到了5种流型，分别为地形严重段塞流、过渡流型、水动力严重段塞流、气团流及段塞流.当实验系统入口气液体均处于较小流量范围时，水平管和下倾管内皆为光滑分层流，液体在下倾管与立管交接处(即管道系统的几何最低点)积聚，在立管中出现地形严重段塞流I型，这是一种液塞长度超过立管高度的流型，也是目前文献中报道最多的一种最为典型的流型，包括4个流动阶段:液塞形成、液塞出流、液气喷发和液体回流.在这种流型下，立管内部有较大的流量和压力波动，在立管出口出现周期性断流和剧烈液气喷发的交替现象.保持液体为小流量，增加入口气相流量，此时立管内液塞增长带来的压力增加速度开始小于水平-下倾管内气体累积产生的压力增长速度，使得液塞头部在还未到达立管顶部时，气体就进入立管开始喷发，即出现严重段塞流II型流态.对地形严重段塞流II型，没有液塞出流阶段，在液塞形成阶段尚未完成之前，气体就进入立管形成液气喷发现象，该流型也会出现周期性断流和剧烈液气喷发的现象，破坏及影响程度与地形严重段塞流I类似，但是由于液塞长度小于立管高度，使得下游处理设备较易接纳.图2 水平管流型Fig.2 The flow patterns of the horizontal pipeline图3 立管流型Fig.3 The flow patterns of the riser进一步增加气相流量，立管内流型的变化取决于水平管流型.当水平管内仍然保持为分层流动时，如果立管根部累积的液塞无法堵住气体，而进入立管气体流量也不足以形成环状流，立管内流态为介于地形严重段塞流II与环状流之间的过渡流型，表现为液体在气流和重力共同作用下反复震荡，直至立管内累积了足够多的液体，气流携带液体喷出管外，即为气液混合的弥散流.如果水平管内出现阻塞流型，立管内则出现水动力严重段塞流型.所谓阻塞流是指，在水平管内某处出现一段水平液塞，而其余部分保持为分层流.该液塞到达下倾管与立管交接处后，会堵住立管根部，阻止气流进入立管，此时在立管中会出现类似于地形严重段塞流的流型，称其为水动力严重段塞流.增加入口处液体进流量，但保持水平-下倾管内仍为分层流.当气体流量较小时，立管内出现地形严重段塞流III型，这种流型的主要特点是:在液塞形成阶段，即出现液气间隔性喷发现象，喷发阶段结束之后立管内充满液体.地形严重段塞流III型在立管出口没有断流现象，且其流动过程只有液塞形成、液塞出流和液气喷发3个阶段，其造成的压力波动也小于I型和II型，属于一种过渡流型.如果进一步加大气体流量，水平管内也可能会出现阻塞流，此时立管内出现水动力严重段塞流型.关于这种水动力严重段塞流的相关特性问题，将在后文做详细讨论.进一步加大入口处液体进流量，水平管内分层流消失.当气体流量较小时，整个管线系统呈现气团流动;而当气体流量较大时，整个管线系统呈现段塞流动.2.2 水平管阻塞流形成原理立管内的水动力严重段塞流型是由水平管内的阻塞流型引起的.当水平管为分层流时，随着气体流量的增加，管内的光滑分层流转变为波浪分层流，且气体流量越大，波浪分层流的波动幅值也越高，而水平管并非绝对水平，最终在某个地势较低处，液体形成的波面堵住管道，并形成一段液塞，即阻塞流.这是阻塞流形成的主要原因之一.此外有其他非预期的扰动也可能会形成阻塞流.阻塞流形成的液塞段将水平管内气体分隔成两部分，如图4所示.在液塞前后水平管内流型仍为分层流.该段液塞在其尾部气体的推动下向水平管下游流动，进入下倾管，并汇入下倾管与立管交接处形成积液，堵住立管根部，阻止气流进入立管，造成下倾管内气体被压缩，形成严重段塞流流型.由图2可见，阻塞流只存在于较小液体流量和较大气体流量范围内，当水平管内分层流消失，形成稳定气团流时或段塞流时，该流型消失，立管内流型也相应变化.图4 水平管阻塞流型Fig.4 Blocking flow pattern in the horizontal pipe水平管内阻塞流形成的原因主要为管内持液率较高，当液面在气流作用下呈波浪状运动时，如果遇到扰动或者凹点，波面突然上升堵住管道，形成一段孤立的液塞，并在其后气流的推动下向下游流动.如果阻塞流的形成是由水平管几何形状和入口气液流量决定的，该流型就有一定周期性，即具有可持续性;如果阻塞流的形成是由非预期的扰动决定的，就不存在周期特性，不具有可持续性.此外，阻塞形成的液塞在其沿水平管向下游流动过程中，有可能会进入立管，但也有可能会在水平管或下倾管中消失，这主要由其尾部压力和分层流的持液率共同决定.液塞尾部的气体推动会使液塞后缘不断增加，导致液塞变长，称为“铲起”;同时，由于重力、压力等因素，段塞前缘不断消失，导致液塞变短，称为“泄落”.当立管根部被堵住，形成长液塞时，液塞前部压力大于尾部，此时形成的液塞逐渐消失;而当立管根部未被堵住，立管内为过渡流型或者处于液体回流阶段时，导致阻塞流前部压力小于尾部，液塞流向下游并逐步增长，直到进入立管形成长液塞并封住气流，发生严重段塞流.2.3 水动力严重段塞流特性分析实验中观测到了地形严重段塞流Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型，以及水动力严重段塞流共4种严重段塞流型.在图5中，给出了4种严重段塞流下立管根部压力随时间的变化规律. 由图5可知，无论是地形严重段塞流还是水动力严重段塞流都有很好的周期特性，这也说明了实验中观察到的水动力严重段塞流不是由意外的扰动引发的，而是管线几何形状和流量等因素共同导致的.从图5(a)～(c)可见，对地形严重段塞流，立管内根部压力波动剧烈，根据其在立管内的流态变化，可以把一个周期分为4个阶段，依次为液塞形成、液塞出流、液气喷发和液体回流，其中Ⅰ型拥有全部4个阶段，Ⅱ型没有独立的液塞出流阶段，Ⅲ型没有回流阶段.同时，当地形严重段塞流发生时，在液体回流和液塞形成阶段，在立管出口处出现断流现象，在液塞出流和液气喷发阶段，在立管出口处出现剧烈出流现象，这2种现象交替发生，循环往复［10］.由图5(d)可知，对水动力严重段塞流，在立管内的流态比地形严重段塞流态要复杂一些，在水动力严重段塞流的一个周期内一般包含5个阶段:液塞形成、液塞出流、液气喷发、液体回流和液体振荡.液体振荡阶段是指，在液体回流阶段之后，由于立管内液体含量较少，不足以流出管外，也不能堵住气流，在重力和气流共同作用下往复振荡，将该流态定义为液体振荡.图5 立管根部压力变化特性Fig.5 The pressure characteristics at the bottomof the riser实验中所观察到的水动力严重段塞流，只有液塞形成、液气喷发、液体回流和液体振荡4个阶段，没有出现液体出流阶段，称其为水动力段塞流Ⅱ型.理论上讲水动力学严重段塞流Ⅰ型也应该是存在的，这可能与本实验系统中水平管长度还不够长有关，这将在后续研究中进一步探索.严重段塞流Ⅲ型的主要特征为喷发结束后立管内充满液体，而水动力严重段塞流发生机理是水平管内出现了阻塞流型，该流型产生的液塞能否进入立管的前提为立管没有被液塞堵住，所以在前一段液塞喷发结束之前不会产生新的长液塞，即不存在水动力严重段塞流Ⅲ型，实验也没有做出该种流型.实验观测到水动力严重段塞流发生时，立管出口仍为断流和剧烈出流交替出现的现象，其中断流发生在液塞形成、液体回流和液体振荡阶段，出流发生在液塞出流和液气喷发阶段.图6 立管严重段塞流周期变化特性Fig.6 Severe slugging periodic characteristics of the riser图7 立管内压力波动幅值变化特性Fig.7 Pressure fluctuation magnitude characteristics of the riser在图6～7中，给出了严重段塞流周期和立管根部压力波动幅值随气液折算速度变化特性的实验结果.其中，液体折算速度为 vsl为 0.036、0.049、0.07 m/s，气体折算速度从0.036 m/s变化到 1.1 m/s，图中横坐标为气体折算速度，图6中纵坐标表示为严重段塞流周期，图7中纵坐标为立管根部压力波动幅值，即一个周期内立管根部压力最大值和最小值之差.结合图3可知，当液体折算速度为 vsl=0.036 m/s，气体折算速度从小到大变化时，立管内依次仅出现地形严重段塞流Ⅰ和Ⅱ型，其周期及压力波动幅值随着气相折算速度增大而呈幂函数规律逐渐减小.当液体折算速度变为vsl=0.049 m/s，而气体折算速度小于0.543 m/s时，立管内依次出现地形严重段塞流Ⅰ、Ⅱ和Ⅱ型，其周期仍呈幂函数规律逐渐减小.当气体折算速度达到0.543 m/s后，水平管内出现阻塞流，而立管内流型变为水动力严重段塞流型，其流动变化仍保持周期性，但其周期随气体折算速度增加而增加，达到某一最大值后又随着气体折算速度的增加开始逐渐减小，直至水平管内阻塞流型消失.对于压力波动幅值，当阻塞流出现时，其值随着气相折算速度增加逐步增加，达到某一极值点后，又随气相折算速度增加而减小，直至阻塞流型消失.当液体折算速度为vsl=0.07 m/s时，其变化规律与vsl=0.049 m/s的情况类似.传统的地形严重段塞流的危害主要体现在:长液塞的迅速出流超出下游设备的处理能力，液气喷发容易诱发管线振动，下游设备长期经受冲击，以及管线内存在剧烈的压力和流量波动等［3］.水动力严重段塞流型也具有上述的危害，且该流型通常发生于气流速度较高的情况，其破坏力也是不可忽视的.因此，海洋输油管线系统内的水动力严重段塞流型也应是海底采油工程中需要关注和深入研究的内容之一.3 结论利用水平—下倾—立管组合管线系统，在气液进流量的多种组合下开展了实验研究，获得了水平管及立管内的流型图，重点研究了水动力严重段塞流形成机理、周期及其压力波动特性，并与地形严重段塞流的相关特性进行比较，得到以下结论: 1)水动力严重段塞流型在气体速度较高情况下出现，相比于地形严重段塞流，其发生范围较广，这大大拓宽了传统严重段塞流的范围，需要在工程设计上加以关注.2)水动力严重段塞流型具有周期特性，并会导致立管内部发生较为剧烈的压力波动.当液体流量值固定时，该流型周期和压力波动幅值存在一个极值点，并最终随气相折算速度的增加而消失.3)水动力严重段塞流的成因较为复杂，不仅与水平和下倾管线几何形状及相关几何参数有关，还与气液流量组合、流体物性等多种因素相关.因实验条件所限对其成因只进行了初步探讨，还有待于做更进一步的研究工作.参考文献:【相关文献】［1］李晓平，宫敬，沈建宏。

不同倾角下悬链线立管数值模拟分析

不同倾角下悬链线立管数值模拟分析李梓萌;伞博泓;王卫强;王国付【摘要】为降低混输管严重段塞流带来的危害,须对其流动特性进行分析研究.以某水平下倾管-悬链线立管实验系统为研究对象,建立相关的数学模型、物理模型,运用CFD软件,模拟该种管型下的严重段塞流流动现象,分析了严重段塞流流动特性以及压力、速度、含气率变化特性.通过数值模拟得到了不同倾斜角度下的流型图、压力变化曲线及周期变化规律.分析结果表明,随着下倾管倾斜角度的增大,流型图的转换边界发生变化,形成严重段塞流所需的气相折算速度增大,形成间歇流所需的气相折算速度减小;严重段塞流压力最大值随倾斜角度变化较小,其周期则随倾斜角度的增大而减小,并呈指数函数变化.【期刊名称】《辽宁石油化工大学学报》【年(卷),期】2019(039)002【总页数】6页(P70-75)【关键词】悬链线立管;严重段塞流;数值模拟;倾角【作者】李梓萌;伞博泓;王卫强;王国付【作者单位】辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺 113001;辽宁石油化工大学石油天然气工程学院,辽宁抚顺113001【正文语种】中文【中图分类】TE81在海洋油气资源开采中，随着石油开采活动逐渐向深海区发展，输送油气方式出现了从垂直立管形式向悬链线立管形式的转变。

悬链线立管具有成本低、对浮体运动适应性强等优点，但是在输送油气过程中仍受严重段塞流的影响。

严重段塞流影响管路的安全运行，导致油田生产能力下降，甚至可能会发生停产等事故[1-2]。

自段塞流现象被B.T.Yocum[3]发现之后，得到了国内外众多学者的关注。

Z.Schmidt等[4]通过实验研究发现了严重段塞流与水力段塞流形成机理的不同，并重新定义了严重段塞流；V.Tin等[5]通过实验发现，悬链线立管和S型立管具有相同的压力循环转变界线、不同的严重段塞流流动特性，在液塞生长阶段，悬链线立管的最大压力稍小于S形立管；S.Mokhatab等[6-7]建立了一维理论预测模型，并运用此模型对悬链线立管压力及出口气液流量等进行了对比分析；G.R.Azevedo等[8-9]通过数值线性稳定分析方法对悬链线立管的数学模型进行了数值计算，得到了管道内流体流动的流型图以及转换边界；高嵩等[10]、吕明琦等[11]、张灿[12]、宋博等[13]、王琳等[14]通过实验或数值模拟等方式，对悬链线立管严重段塞流的形成及流动特性进行了研究分析。

深海立管中严重段塞流特性模拟研究_邱伟伟

［6 ］
一个重要组成部分。管线中的相态计算与流动过程是相关的。为了简化计算，对沿线流体温度计算采用稳态计算模型。模型采用的凝析油气管线中温度计算模型
［8 ， 9 ］
焦汤效应等，是两相流温降显式考虑了沿线温降、计算公式，在相态、流动耦合计算中大大提高了计
； ρ m 为立管内气液混合段混合密度； u 为液塞
MV gh dP P M d（ P4 V gr ） g + = m dt ＲT dt ＲT d（ ρ l Au（ H － h2 ） + ρ m Ah2 u） h2 ）－ ρ m Agh2 = dt dL s u = dt dL s d h2 = ε dt dt 式中， V gh = （ L1 + L2 / cosθ）（ 1 － ε0 ） A； V gr = h2 （ 1 － ε） A； P4 = 0. 5 （ P1 + P p ）； P1 = P s + ρg （ H － h2 ）。
图2
液塞移动阶段示意图
当液塞尾部到达立管底部后，气体开始进入立管（图 3 ）。通过实验观察可以发现，气体以泰勒气
5466
科
学
技
术
与
工
程
13 卷
泡的形式进入液塞。液塞尾部之下呈现气液两相混合的状态。根据入口气液流速的不同，此时的两相流状态也不同，可呈现出泡状流、段塞流、环状流等状态。为了计算的方便，研究者们通常仅采用一种流型进行计算。现采用段塞流进行计算。在文 5］献［的基础之上建立气体进入立管的模型。
随着油气开发由陆地走向深海，海底管道运输已成为海上油气生产中油气传输的主要方式。海底管线中多相混输的应用能够削减海上平台工艺设施的建设费用，简化操作管理。深水压力较大，温度低，对海底混输管道提出了更为严格的要求。海底油田产出油及其伴生气经过井筒、海底管道、立管后，被输送到海洋平台预处理装置。在此混输过程中，容易出现一系列问题如段塞流、析蜡、水化物、腐蚀、固体颗粒冲蚀等，有的已经严重威胁到生产的正常进行和海底集输系统的安全运行。严重段塞流主要是由立管系统特殊的几何形状引起的。当立管系统上游管线为下倾管时，在油田开发末期或油气流速较小时，气液混合物流过下倾管后进入立管。在重力的作用下，液体在立管底部聚集，形成液塞。气体被堵塞在上游管线中。随着来流的增加，液塞向立管顶部和上游管线中增长。当液塞头部达到立管顶部的时候，液塞流出立

气液混输管线水动力严重段塞流实验

ＧＡＯｏｇ，ＹＯＵｎｉｎＳｎＹｕｘａｇ，ＹＵｏｇ，ＨＵｉｎｕＺｈｎＴａｑｎ，ＴＡＮｉｎＬａｗｕ
（ｔｔＫｙＬｂｒｔｙｏＯｅｎＥｇｅｒｇＳａｇａＪｏｏｇＵｉｒｔ，ｈｎｈｉ２０４ｈｎ）Ｓａｅａｏａｒｆｃａｎｉｅｉ，ｈｎｈｉｉｎｎｖｓｙＳａｇａ，０２０ＣｉｅｏｎｎａＴｅｉａ
Ｏｃｈｌｃｉｇｆｗｅｔｒｈｉｅ，ａｎｗｆｗｐｔｒｌｂｏｅａｌｄｓｖｒｙｒｄｎｍｉｓｇｉｇｎｅｔｅｂｏｋｎｏｎｅｓｔｅｒｒｅｏａｔｎｗｉｅｆｒｄｃｌｅｅｅｈｄｏｙａｃｌｇｎｌｓｌｅｌｍｅｕ
Ａｂｓｒｃ：ｅｅｅｓｕｇｎｇｏｃｒｎａｗｉｅｒｎｅｏａｎｉｉｏｒｔｓ；ｓｃｈｎｏｎｎｒｃｉｅｏｓｄｔａｔＳｖｒｌｇｉｃｕｓｉｄａｇｆｇｓａｄｌｄｆｗａｅｑｕｌｕｈａｐｅｍｅｏｅｅｖｓｃｎｉ — ｅａｌｔｅｔｎｉｎｉｅｒｎｓｕｉｓＥｘｅｍｅｔｎｔａ —ｉｕｄｔｈａｅｆｏｉｏｉｏｔｌｎｌｎｔｏｒｂｅａｔｎｉｎｅｇｎｅｇｔｄｅ．ｏｉｐｒｎｓｏｈｅｇｓｌｉｗｏｐｓｗｎａｈｒｚｎａ／ｉｃｉａｉｎｉｑｌｐｐｌｏｎｃｅｔｉｅｒｏｄｔｄＴｈｏｐｔｒｓｉｏｈｔｅｈｒｚｎａｉｅｉｅａｄｒｓｒｗｅｅｉｅｉｃｎｅｔｄｗｉａｒｓｒｗｅｅｃｎｕｃｅ．ｎｅｈｅｆｗａｔｎｎｂｔｈｏｉｏｔｌｐｐｌｎｎｉｅｒｌｅｐｅｅｔｄｕｄｒａｄｆｅｅｔｉｌｔｆｕｆｔｅｇｓａｄｌｑｉ．Ｒｅｕｔｈｗｈｔｔｅｂｏｋｎｏｗｉｃｕｎｅｍｉ— ｒｓｎｅｎｅｉｒｎｎｅｘｏｈａｎｉｕｄｆｌｓｌｓｓｏｔａｈｌｃｉｇｆｗｌｏｃｒｉｔｒｔｌｌｔｎｌｎｔｅｓａｅｗｈｒｈｅｆｏｐｔｒｓｉｈｏｉｏｔｉｅｉｅａｅｔａｉｅｒｍｈｔａｉｅｏｔｅｓｕｇｆｏｅｔｉｈｔｇｅｅｔｌｗａｔｎｎｔｅｈｒｚｎａｐｐｌｒｒｎｓｔｄｆｏｔｅｓｒｔｆｄｔｈｌｗ．ｙｅｌｎｉｌ

气液混输管线与立管系统严重段塞流特性研究

气液混输管线与立管系统严重段塞流特性研究在海洋油气资源开采工程中，通常采用气液混输组合管线系统对油气资源进行输送，管线系统由铺设于海底的卧底管和连接于海洋平台的立管所组成。

这种形式的组合管线系统容易引发严重段塞流现象，这是一种管道内液塞长度达到一倍甚至数倍立管高度的特殊有害流型，不仅会干扰正常的油气开采作业，而且还会大幅地减小海底油气田的产量。

随着海洋油气开采不断走向深海，气液混输组合管线系统严重段塞流已成为深海油气工程中的热点问题之一，因此对该种流型的深层次流动机理及其流动参数特性进行研究，具有重要的学术意义和工程实用价值。

在全面地回顾和总结了关于该主题的国内外研究现状之基础上，本论文选取深海油气开采工程中最为典型的卧底管线与垂直立管系统和新兴的卧底管线与钢悬链线立管系统为研究对象，采用理论、数值与模型实验相结合的方法，对两类气液混输管线与立管系统严重段塞流的形成机理、气液流态变化特征及其流动参数变化规律等进行了深入系统的研究，具体研究内容如下。

1）采用Brackbill模型求解气液相间表面张力，结合VOF方法追踪气液两相运动界面，根据长液塞形成和生长过程一致性的原则，发展了一种将三维严重段塞流等效为二维流动的计算流体力学(CFD)数值模拟方法。

以下倾管-垂直立管系统为对象，结合文献中的实验工况和结果，对该种组合管线系统的严重段塞流气液流动过程进行了系列数值模拟，获得了严重段塞流气液流动细节及周期、压力波动和喷发时间等参数变化特性，数值模拟与文献所述实验结果吻合。

在此基础上，深入揭示了严重段塞流的形成机理，并对实验中难以直接获得的卧底管线含气率、立管含气率、液塞速度、立管出口气液混合速度及其流量等流动参数变化特性进行了深入研究与分析。

2）采用二维等效CFD数值模拟方法，系统地分析了气液物性参数以及管道几何变形对严重段塞流形成机理及其流动参数特性的影响。

根据海底油气混合物特点，分别选取原油、煤油和水作为液体介质，天然气和空气作为气体介质，结果表明液体粘性、表面张力和密度等物性参数对严重段塞流的形成机理、气液流动特征及其流动参数变化特性等均有明显的影响，而气体物性参数的影响较小。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

ａＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ）ｍｅｔｈｏｄｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｆｏｒｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅ
ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｐｅｒｉｏｄａｎｄｉｔｓａｍｐｌｉｔｕｄｅｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｄｕｅｔｏｓｕｃｈａｓｅｖｅｒｅｓｌｕｇｆｌｏｗ，ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌ
ＬＶＭｉｎｇ — ｑｉ，ＧＡｏＳｏｎｇ，ＬＩＷｅｉ，Ｙ０ＵＹｕｎ— ｘｉａｎｇ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４０，Ｃｈｉｎａ）
压力波动幅值及周期变化特性，数值模拟与文献所述实验结果一致，表明了该数值模拟方法的有效性。
关键词：悬链线立管；两相流；严重段塞流；流动参数
中图分类号：０３５９．１文献标识码：Ａ
气液混输管线与悬链线立，尤云祥
（上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海２Ｏ０２４０）
摘要：针对气液混输管线与悬链线立管系统严重段塞流问题，采用严重段塞流形成条件一致的等效原
ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＳｅｖｅｒｅＳｌｕｇＦｌｏｗｉｎａＣａｔｅｎａｒｙＲｉｓｅｒＳｙｓｔｅｍｗｉｔｈｔｈｅＧａｓａｎｄＬｉｑｕｉｄＭｉｘｔｕｒｅＴｒａｎｓｐ０ｒｔａｔｉ０ｎ
则，发展了一种将三维管道系统等效为二维管道系统的计算流体力学（ＣＦＤ）数值模拟方法。以文献中某水平／下倾管与悬链线立管组合系统为对象，结合其实验工况，数值模拟了该种管型下的严重段塞流现象，分析了其
ｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｓｗｉｔｈｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｏｎｅｓｉｎｔｈｅｒｅｆｒｅｎｃｅｓｈｏｗｉｎｇｔｈａｔｔｈｅｐｒｏ — ｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｆｏｒｔｈｅｓｅｖｅｒｅｓｌｕｇｇｉｎｇｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，
第２８卷第ｌ期
２Ｏｌ３年Ｏ２月
中国海洋平台
ＣＨＩＮＡ０ＦＦＳＨ（）ＲＥＰＬＡＴＦ（）ＲＭ
Ｖｏ１．２８ＮＯ．ｔ
Ｆｅｂ．。２Ｏ１３
文章编号：１００１ — ４５００（２０１３）０１ — ００２４－０５
ｇａｓ — — ｌｉｑｕｉｄｓｅｖｅｒｅｓｌｕｇｇｉｎｇｉｎａｐｉｐｅｌｉｎｅ — — ｒｉｓｅｒｓｙｓｔｅｍｂｙｍｅａｎｓｏｆｔｒａｎｓｌａｔｉｎｇｔｈｅ３Ｄｐｉｐｅｌｉｎｅ－ｒｉｓｅｒｓｙｓｔｅｍｉｎｔｏａ２Ｄｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｏｎｅ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄｆｏｒｔｈｅｇａｓ — ｌｉｑｕｉｄｆｌｏｗｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅｓｅｖｅｒｅｓｌｕｇｇｉｎｇｉｎａｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ／ｄｅｃｌｉｎａｔｉｏｎｐｉｐｅｌｉｎｅ — ｃａｔｅｎａｒｙｒｉｓｅｒｓｙｓｔｅｍａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃａｓｅｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｉｎｔｈｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ