水平管气液两相流瞬态流动特性研究

摘要

气液两相流管线在实际运行中总是处于瞬变流动状态,由于气液瞬态流动的不稳定性和相分布的复杂性，目前瞬态流动研究尚处于发展阶段,研究气液两相流管线的瞬态过程具有重要意义,瞬态两相流技术也有广阔的应用前景。本文在长380m,内径为0.08m的多相流环道丨上对水平管气液两相流瞬态流动特性从建模和实验两方面进行了深入细致的研究,对完善气液两相流瞬态理论及实际应用具有一定的推动作用。主要研究内容和结论如下：
　　利用Labview图形化编程语言,自行设计了“多相流实验数据处理系统”,设计了无轨迹卡尔鉍滤波器对实验数据进行滤波处理；应用成压力、压差信号的统计分析现论：概率密度分布函数和功率谱密度函数对实验中出现的分层流、段塞流和环状流三种主耍流型的波动特性进行了细致的分析,得出了不同流型压力、压差的PDF和PSD特征,为这些流型的识别提供了可靠的特征标识;结合三种典型流型的压力、压差的概率密度函数PDF和功率谱密度函数PSD特性,就可以成功的实现流型识别；并绘制了本研究实验流型在Mandhanc流型图上的分布状况。
　　基于D.Barnea &Y.Taitel提出的VKH模型,建立了新的分层流向非分层流的流型转变准则,并与Taitel等人的准则关系进行了比较,分析了气液两相瞬时体积流量变化对转变准则的影响;在环状流模型机理的基础上,分析了环状流稳定存在的必要条件和液膜形成、液滴夹带的机理,考虑了环状流的液滴夹带现象,提出了环状流向段塞流的转变准则;分析了段塞流的形成机理和描述段塞流的特征参数,研究了段塞流向分层流(或环状流)的转变;在理论机理研究基础上,评价了多种流型转变准则对不同实验工况下流型预测的适应性,与实验数裾符合得较好,能适用于气液两相流的流型预测。
　　研究了管道入口气液流量瞬时变化、清管、启动、停输等瞬态过程流动参数的变化规律,气相流量增加的瞬态过程中,随着气相流量增大,会出现液相流量瞬时减小的现象；管路内压力和压差瞬时陡然增加,出现超过前后稳态流动压力的压力过增现象,増压波传播速度随着测压点与管道入口距离的增大而逐渐衰减,压力过增值与初终流动状态和测压点与管道入口的距离有关；所以在管线的设计和运行时应对气量增加引起的瞬态现象给予足够的重视,应把瞬态过程中出现的最大值作为管路设计参数,留有足够的安全裕量。气量减小、液量增加以及液量减小瞬态过程中没有出现压力过增、压力过减现象,操作和设计管线时可以不考虑这种瞬态过程可能会带来的技术问题。入口流量瞬变过程中的压力、差压的波动特性表明出现了未知流型。启动过程类似于入口液相流量增加过程,停输过程类似于入口气相流量瞬时减小过程的特殊情况,其流量、压力、压差变化都与相应的过程类似。
　　清管过程中管线中会产生几个流动区域,入口气、液流量剧烈波动;清管球进入管道后,由于清管球对流体的阻碍作用,使得管道入口的气、液流量急剧变化;发球筒上游测压点由于流动受阻,压力急剧升高,然后剧烈波动最后恢复稳定；发球筒下游测压点由于清管球前方液体的阻塞,各点压力会持续下降,之后继续波动恢复到新的稳定状态。利用平行清管实验得出了通球扫出的集液量和平均持液率的误差估计,误差一般保持在3％之内;利用秒表测出了清管所用时间,提出不能采用气液两相流的混合速度来计算清管时间;通过每两个相邻测压点的压力变化曲线近似得到清管球速度变化规律。
　　压力梯度和持液率等水力特性的准确预测对气液两相流管路的设计和安全运行是非常重要的,在气液两相分层流动中,推荐采用双圆环界面模型,对相间摩擦系数进行了优选,双圆环界面模型能够很好的预测压力梯度和持液率,预测值与实测值相当接近;液相折算速度增加,使得液相在管内壁铺展的比例增大,因此管线压力梯度呈上升趋势;当液相折算速度一定时,随着气相折算速度的增加,持液率降低;而且,油比水作为液相介质所产生的压力梯度和持液率都要大。对气液两相环状流,以Fan(2005)建立的低含液量气液两相流模型为基础,建立了一个新的考虑液滴夹带的计算水平管内气液两相环状流的机理模型,计算结果表明其精度较高,可以用于实际工程中的持液率以及压力梯度的预测,并讨论了在管道中气、液相流速,流体物性、管径等因素对气液两相流管路中环状流持液率和压力梯度的影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1 .1课题研究的目的及意义

1 .2气液两相流中几种重要的瞬态现象

1 .3气液两相流瞬态问题的研究方法

1■4 气液两相流瞬态流动研究进展

1 .5本文研究的主要内容

2 实验系统与数据处理方法

2 .1实验装置与实验流程

2.2 实验流体介质物性

2.3 实验方法

2. 4 瞬态数据信号的UKF滤波理论

2.5 实验数据的统计分析理论

2.6 本章小结

3 气液两相流流型的统计特征

3 .1本研究实验流型

3. 2 分层流的PDF和PSD特征

3. 3 环状流的PDF和PSD特征

3. 4 段塞流的PDF和PSD特征

3 . 5流型转换过程压力的PDF特征

3.7 本章小结

4 气液两相流流型的形成与转换机理

4 .1分层流的形成机理

4.2 分层流向非分层流的转换

4.3 环状流的形成机理

4 .4环状流向段塞流的转换准则

4.5 段塞流的形成机理

4.6 段塞流向分层流（或环状流）流型转换

4 .7流型转换准则的评价

4.8 流型判别程序

4 .9本章小结

5 水平管气液两相流几种瞬态流动过程分析

5 .1入口气液流量改变瞬态实验方法与实验工况

5 .2入口气相流量瞬时增加过程分析

5 .3入口气相流量瞬时减小过程分析

5 .4入口液相流量瞬时增加过程分析

5 .5入口液相流量瞬时减小过程分析

5 .6启动停输过程分析

5.7清管过程分析

5.8 本章小结

6 气液两相流压降梯度和持液率计算模型

6 .1气液两相分层流计算模型

6.2 气液两相分层流界面模型

6 .3分层流三种界面模型计算结果对比

6.4 分层流计算结果分析与讨论

6.5 气液两相环状流计算模型

6 .7环状流计算结果分析与讨论

6.8 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

附录

在校学习期间发表的论文及研究成果