基于增广拉格朗日方法的原油管道再启动数值模拟研究

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1、中图分类号：TE832单位代码：11414学号：2013214092题目基于增广拉格朗日方法的原油管道再启动数值模拟研究学科专业油气储运工程研究方向油气长距离管输技术硕士生侯昊指导教师宇波教授入学时间：2013年9月论文完成时间：2016年5月摘要摘要热油管道通常是长距离输送原油的重要方式，但管道停输期间一些性质较差的原油，如含蜡原油因温度降低而逐步表现出屈服应力等复杂的非牛顿特性，给管道再启动带来困难，严重威胁管道的安全运行。因此，对再启动过程进行数值模拟研究具有重要意义。本文在前人研究的基础上建立了基于增广拉格朗日算法的再启动物理数学模型，发展了基于交错网格有限容积

2、法的数值计算方法，克服了再启动过程中未屈服区域剪切应力未知和本构方程在屈服面处不可导带来的困难。采用Fortran语言编写了数值求解程序，对再启动规律进行了数值模拟研究。本文首先研究了再启动过程，将成功再启动分为压缩阶段和结构裂解阶段。在压缩阶段，压缩性使得管道入口处产生一个初始剪切率，胶凝结构裂解，原油屈服应力降低，在压缩阶段末期原油平均屈服应力将小于压差，再启动进入结构裂解阶段。在结构裂解阶段，由于自增强效应，胶凝结构继续被破坏，管道流量持续增加，最终流动达到稳态。稳态时，受压缩性影响，沿线流量沿管长逐渐升高。随后，本文研究了塑性黏度、结构重建和流变行为指数对再启动

3、过程的影响。由计算结果知，本文采用的增广拉格朗日方法可以在不引入假设的前提下获得速度、剪切速率和结构参数等沿管道轴向及径向的变化，为研究的深入开展奠定基础。最后开发了界面友好，操作简便的软件，方便使用者更好地了解再启动过程的基本规律，为实际工程应用提供一定的理论参考。关键词：管道再启动；原油；数值模拟；增广拉格朗日方法；Houska模型-II-ABSTRACTNumericalStudyonACrudeOilPipelineRestartwithAnAugmentedLagrangianMethodABSTRACTHeatedpipelineisanimportantw

4、ayforlongdistancetransportationofthecrudeoil.However,thecrudeoilgraduallyshowscomplexNon-Newtoniancharacteristicasthetemperaturedecreasesduringthepipelineshutdown,whichbringsdifficultiestopipelinerestartandresultsinseriousthreatstosafeandefficientoperation.Itisofgreatsignificancetocarryo

5、utanumericalsimulationonarestartprocess.Basedonotherresearchers’work,thispaperestablishesarestartmathematicalmodelwithaugmentedLagrangianmethodanddevelopsanumericalcalculationalgorithm,whichcouldovercomesthedifficultyinnumericalsimulationbroughtbytheunknownoftheshearstressinun-yieldedreg

6、ionandnon-differentiableformoftheconstitutiveequation.What’smore,weuseFortrantowritethecalculationcodetocarryoutthenumericalresearchtoobtaintherestartlaws.Firstly,thispaperstudiestherestartprocessanddividesasuccessfulrestartattemptintotwoseparatestages-thecompressstageandthestructuredest

7、ructionstage.Incompressstage,thecompressibilityoftheoilcreatesaninitialshearratewhichdestroysthegelledstructureandlowersthevalueoftheyieldstress.Attheendofthecompressstage,themeanvalueoftheyieldstressofthegelledstructurewouldbelessthanthatofthepressuredifferenceandtherest