油水兩相流CFD仿真特性研究.docx

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1、第一章緒論1.1課題研究背景及意義隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展，管道運(yùn)輸已成為和鐵路、公路、水運(yùn)、航空并列的五大運(yùn)輸方式之一，成為原油、成品油、天然氣、燃?xì)夂凸I(yè)用危險(xiǎn)介質(zhì)的主要運(yùn)輸方式。從運(yùn)輸費(fèi)用上來看，管道以其高效和經(jīng)濟(jì)而著稱。從能量消耗的角度來講，輸油干線將原油輸送1000公里所消耗的能量相當(dāng)于所輸送原油蘊(yùn)含能量的0.4%。因此，與其他幾種運(yùn)輸方式相比較，管道運(yùn)輸具有連續(xù)性好、運(yùn)輸量大、運(yùn)價(jià)便宜和管理方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于城市發(fā)展、能源開發(fā)、石油石化的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等領(lǐng)域，和人民的生活息息相關(guān)，是我國(guó)的重大生命線?，F(xiàn)代油氣管道的歷史可以追溯到1869年，美國(guó)賓夕法尼亞

2、州建成世界上第一條原油輸送管道，這標(biāo)志著現(xiàn)代管道運(yùn)輸事業(yè)的開始。經(jīng)過一百多年的發(fā)展，管道運(yùn)輸己成為各國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分之一，也是衡量一個(gè)國(guó)家的能源業(yè)與運(yùn)輸業(yè)是否發(fā)達(dá)的特征之一。目前全世界油氣干線管道己超過150萬公里，美國(guó)、前蘇聯(lián)、加拿大占了三分之二以上。我國(guó)的管道運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展得雖然較晚，但發(fā)展很快。上個(gè)世紀(jì)70年代，我國(guó)相繼建成了慶撫線、慶鐵線、鐵大線、鐵秦線、撫遼線、撫鞍線、盤錦線、中朝線等8條管線，率先在東北地區(qū)建成了輸油管網(wǎng)。進(jìn)入90年代以后，我國(guó)的長(zhǎng)輸管道的建設(shè)又有了新的突破，并相繼建成了一大批油氣長(zhǎng)輸管道。2003年底，我國(guó)油氣長(zhǎng)輸管道累計(jì)長(zhǎng)度已經(jīng)達(dá)到4

3、5865公里，居世界第六。到2005年，西氣東輸、陜金二線、忠武線三條輸氣干線，川渝、京津冀魯晉、中部、中南、長(zhǎng)江三角洲等的區(qū)域管網(wǎng)基本完成，象征著我國(guó)的管道建設(shè)已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。因此，在這樣的大背景下，以研究油、氣、水在管道內(nèi)流動(dòng)的多相流理論得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。另外，為了實(shí)現(xiàn)控制和預(yù)測(cè)油水兩相流動(dòng)系統(tǒng),除了要知道油水兩相流動(dòng)條件、流體性質(zhì)及流體組分外,油水流型特征也成為其必不可少的一個(gè)重要條件。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀兩相流的最初應(yīng)用年代可以追溯到阿基米德時(shí)代，在如今的工業(yè)生產(chǎn)過程中普遍存在著兩相流的問題。在上個(gè)世紀(jì)中，核能、化工、石油工業(yè)的發(fā)展強(qiáng)烈地推進(jìn)了包括兩相流在內(nèi)的

4、多相流領(lǐng)域中的相關(guān)研究，并且在復(fù)雜多相流中力學(xué)原理的啟發(fā)下得到了許多重要的研究成果，但是從大的方面來說，對(duì)于多相流特別是油水兩相流的研究還十分匾乏。我們知道，石油、天然氣和水是石油工業(yè)中三種普遍的工作流體，可以將其排列組成四種不同的兩相流體:氣液、液液、固液、固氣。油水兩相流屬液液兩相流范疇，它的研究進(jìn)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于氣液兩相流、氣固兩相流及液固兩相流，規(guī)律也難以被發(fā)現(xiàn)。油水兩相流和氣液兩相流動(dòng)的根本差異在于:液液的密度差和界面自由能均比氣液小得多，而液液界面的動(dòng)量傳遞能力比氣液界面大得多。國(guó)內(nèi)外對(duì)于多相流的研究，主要通過兩個(gè)研究手段。一方面是通過實(shí)驗(yàn)手段來探討油水兩相流的流

5、型及流型轉(zhuǎn)化規(guī)律，研究所得數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)所得數(shù)據(jù)的相關(guān)性方面。通過實(shí)驗(yàn)的方法，利用儀器觀察油水兩相的流型情況，研究流型轉(zhuǎn)換過程及其影響因素。另一方面，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，研究人員有了處理更復(fù)雜流型的能力和工具，為此，人們開發(fā)了許多基于多相流力學(xué)模型之上的多相流模擬仿真軟件，為給定工作條件下的流場(chǎng)進(jìn)行模擬和分析提供了可靠工具。1.2.1實(shí)驗(yàn)研究部分目前國(guó)內(nèi)外的研究，主要仍是依靠實(shí)驗(yàn)的方法，針對(duì)油水兩相流的流型，觀察其流動(dòng)特性，以及對(duì)流型轉(zhuǎn)變規(guī)律和影響因子進(jìn)行了研究。流型是描述多相介質(zhì)在流動(dòng)中各自的分布方式或流動(dòng)結(jié)構(gòu)的，可以劃分為若干基本的型式，但分類方法至今尚無統(tǒng)一。由于各相

6、間存在隨即可變的相界面，致使流型多種多樣，十分復(fù)雜。早期的學(xué)者由于受到實(shí)驗(yàn)條件的限制，通常采用目測(cè)的方法進(jìn)行油水流型的劃分，具有很大的局限性。早在六七十年代，以Charles、Russel、K.n.Oglesby、Malinowsky等為代表的外國(guó)學(xué)者，對(duì)油一水兩相流做了一系列的實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行了流型的觀察和壓降規(guī)律的研究。在此期間所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究都是在小尺寸的有機(jī)玻璃管或玻璃管內(nèi)進(jìn)行的，主要依靠肉眼來對(duì)不同的流型進(jìn)行分辨，研究尚處于對(duì)各種油一水兩相流流型的感性認(rèn)識(shí)階段。二十世紀(jì)80~90年代是油水兩相流研究的一個(gè)高潮。美國(guó)Tulsa大學(xué)的Traller通過對(duì)前人實(shí)驗(yàn)

7、工作的總結(jié)，將水平油水兩相流流型分為分層流和分散流兩大類。英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的Angel在進(jìn)行的水平油水兩相流實(shí)驗(yàn)中，觀察得到的流型與Trallero的流型基本一致，同時(shí)也觀察到并定義了三層流流型。以色列特拉維夫大學(xué)的Brauner等也對(duì)水平油水兩相流的流型進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)流型轉(zhuǎn)化物理機(jī)理進(jìn)行了研究。Brauner在前人工作和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，全面總結(jié)了水平油水兩相流流動(dòng)結(jié)構(gòu)、流型轉(zhuǎn)變機(jī)理、油水分層流動(dòng)時(shí)界面的形狀及計(jì)算等內(nèi)容，給出了水平油水兩相流流型轉(zhuǎn)化得物理模型。這段時(shí)期仍以實(shí)驗(yàn)研究為主，流型辨識(shí)主要是采用電阻抗法結(jié)合高