水中油滴運動實驗與模擬研究

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1、分類號：密級：UDC：編號：河北工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文水中油滴運動實驗與模擬研究論文作者：王雪麗學(xué)生類別：全日制學(xué)科門類：工學(xué)學(xué)科專業(yè)：土木工程指導(dǎo)教師：王華軍職稱：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforMasterDegreeofEngineeringEXPERIMENTALANDSIMULATIONSTUDYONOILDROPLETUPWARDMOVEMENTINWATERbyWangXueliSupervisor:Prof.WangHuajunApril2017I摘要近年來，海

2、上石油輸運和石油勘探等領(lǐng)域發(fā)展迅速，海底管道溢油事件頻繁發(fā)生，且油藏開采難度也日益加大，上述過程其實質(zhì)是油水兩相流動問題，因此研究水中油滴運動及水驅(qū)油過程具有重要的工程意義。主要研究內(nèi)容如下：以O(shè)lympus高速攝像采集系統(tǒng)為基礎(chǔ)，搭建了觀測單油滴在靜水中運動進(jìn)入頂部油層的實驗系統(tǒng)，完成水中油滴上升過程的動態(tài)拍攝，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。實驗結(jié)果表明，油滴在上升過程中由圓形變成橢圓形，最后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。油滴上升過程主要受浮力、粘性阻力和慣性力作用。油滴直徑越大，上升過程受到粘性阻力和慣性力越大，相同條件下油滴變形程度越大；油滴變形程度與直徑呈正相關(guān)，與粘

3、度和密度呈負(fù)相關(guān)?；贚evelSet法采用COMSOL軟件對單油滴水中運動過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，油水界面震蕩幅度與表面張力呈負(fù)相關(guān)，E0<5時，豎直波動最大幅度為6.3mm左右，水平波動范圍為12mm左右。油滴底部和頂部壓差約為72Pa，底部產(chǎn)生3~4Pa負(fù)壓，周圍水體產(chǎn)生順時針環(huán)流。油滴上升過程變形系數(shù)模型基本符合F-T模型，相對誤差為-9.2%~8.2%。為進(jìn)一步揭示油滴間相互作用關(guān)系，對雙油滴上升過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，雙油滴在上升過程中發(fā)生聚并行為時，其過程分為四個階段：同時上升、油滴碰撞、聚并上升和進(jìn)入油層。油滴在初始間距S＜5.

4、25時發(fā)生聚并，當(dāng)間距S?5.25時，兩個油滴未發(fā)生聚并。油滴聚并時間為0.12~0.2s，與表面張力呈負(fù)相關(guān)，與粘度比呈正相關(guān)，與密度比和油滴初始間距無關(guān)。接觸時刻Re(上)/Re(下)小于0.5時，油滴相對較易發(fā)生聚并融合。最后，采用隨機(jī)多孔介質(zhì)模型通過Fluent軟件對水驅(qū)油過程進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，油水粘性比趨近于1時，粘性指進(jìn)作用可以忽略，驅(qū)替效率可達(dá)到96.2%左右。進(jìn)出口壓力差增加到一定程度時，油相飽和度減小甚微，當(dāng)壓力差從5kPa增大到6.8kPa時，驅(qū)替效率僅提高2%。驅(qū)替效率與孔隙結(jié)構(gòu)均勻性有關(guān)，孔隙結(jié)構(gòu)連通性較好，驅(qū)替效率較大；

5、閉合孔隙較多時，驅(qū)替效率較差。關(guān)鍵字：油水兩相流COMSOL變形聚并LevelSet法IIIABSTRACTInrecentyears,offshoreoiltransport,oilexplorationandotherrelatedareashavearapiddevelopment.However,submarinepipelineoilspilloccurredfrequently,andthedifficultyofreservoirexploitationincreasedgradually.Theaboveprocessesinvolve

6、theproblemofoil-watertwo-phaseflow,anditisofgreatsignificancetostudythemovementofoildropletsinwaterandwater-drivenoilprocess.Themainstudycontentsareasfollows:BasedontheOlympushigh-speedcameraacquisitionsystem,theexperimentalsystemforobservingthemovingprocessofsingleoildropletint

7、otopoillayerinstaticwaterwasbuilt.Thedynamicrisingprocessofoildropletsinwaterwasfilmedbythissystem,andthedatawereanalyzed.Theexperimentresultsshowedthattheshapeofoildropletswaschangedfromcirculartoellipticduringtheascendingprocessandfinallystabilized.Byanalysinginthestressstateo

8、foildropletinrisingprocess,itwasrevealedthatthe