水平管油气水三相流动特性模拟和实验研究

摘要

本文从数值模拟和实验两方面对水平管油气水三相流动过程中不同流型间流型转换规律、油水物性参数计算方法和水平管内流动参数的变化规律进行了研究，并编制了油气水三相模拟计算软件。 对水平管油气水三相流型间转换机理进行了深入分析，并通过理论推导，建立了油气水三相流动不同流型间转换的预测模型，利用实验数据对预测模型进行验证表明，其预测值和实验结果符合较好。对影响油气水三相流型间转换的主要因素进行了模拟和实验研究，得出了含油率、管径、折算气速、折算液速等参数对不同流型间转换的影响规律。 通过对传统的理论综合水力学模型进行改进，建立了求解管道内气液两相流动的简化的稳态水力学模型。在简化模型中，综合考虑压力、气相速度、液相速度和截面含气率的关系，并同时采用亚当姆斯预估-校正算法和龙格一库塔算法进行求解。从流体力学基本守恒定律出发，以双流体模型为基础，建立了气液两相流瞬态水力学模型，并对数学方程进行特征化分析，针对数学方程的特点，采用迎风隐式差分法对模型方程进行离散，并利用高斯消去法对离散方程进行求解。 基于上述稳态和瞬态水力学模型，编制了油气水三相模拟计算程序，对稳态或瞬态工况下各工艺参数的变化情况进行了模拟研究，通过程序模拟结果与实验结果的比较说明，建立的气液两相流模型能够较好的预测油气水三相流动过程中参数的变化规律。对油气水三相流动特性进行了模拟和实验研究，得出了含油率、折算气速、折算液速等参数对摩擦压降和截面含气率的影响规律。 利用油气水三相模拟软件对实际管线进行了模拟研究，并将模拟结果与PIPEPHASE模拟结果进行了比较，两者符合较好。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章前言

1.1研究意义和工程背景

1.2多相管流理论研究进展

1.3多相管流流动特性的实验研究进展

1.3.1水平管内流型及其转变的研究

1.3.2油气水三相流动特性

1.4本文的主要研究内容

第2章实验系统及数据处理方法

2.1小型多相流实验环道

2.2大型多相流实验环道

2.3实验数据的滤波处理

2.4实验参数及实验介质的物性

2.4.1实验参数范围

2.4.2实验介质的物性

第3章油气水三相流动的基本方程和物性参数

3.1基本方程

3.2本构方程

3.2.1分层流

3.2.2间歇流

3.2.3环状流

3.2.4泡状流

3.3油水混合物物性参数的计算方法

3.3.1密度

3.3.2粘度

3.3.3界面张力

3.3.4 O/W型与W/O型的转变界限

3.4本章小结

第4章油气水三相流型及其转变

4.1流型的分类及其定义

4.2流型转变及其预测模型

4.2.1分层流-间歇流转变

4.2.2间歇流-环状流转变

4.2.3间歇流-泡状流转变

4.3结果及讨论

4.3.1模型验证

4.3.2模拟研究

4.3.3实验研究

4.4本章小结

第5章油气水三相稳态流动特性研究

5.1稳态模型的建立

5.2数值求解

5.2.1数值求解方法

5.2.2简化模型的求解

5.3两种模型的比较

5.4二分法求解液面高度的研究

5.5分层流相间摩阻系数的优选

5.6结果及讨论

5.6.1模型验证

5.6.2模拟研究

5.6.3实验研究

5.7本章小结

第6章油气水三相瞬态流动特性研究

6.1瞬态模型的建立

6.2数值求解

6.2.1网格划分

6.2.2离散格式

6.2.3离散方程求解

6.3边界条件与初始条件

6.4模型验证

6.4.1气体流量增加过程

6.4.2气体流量减少过程

6.5本章小结

第7章油气水三相模拟软件的编制及应用

7.1软件的抽象设计

7.2软件的主要功能模块

7.3软件的主要界面

7.4计算实例

7.5本章小结

第8章结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间的研究成果