油水两相流CFD仿真特性研究.docx

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1、第一章绪论1.1课题研究背景及意义随着我国经济和科技的不断发展，管道运输已成为和铁路、公路、水运、航空并列的五大运输方式之一，成为原油、成品油、天然气、燃气和工业用危险介质的主要运输方式。从运输费用上来看，管道以其高效和经济而著称。从能量消耗的角度来讲，输油干线将原油输送1000公里所消耗的能量相当于所输送原油蕴含能量的0.4%。因此，与其他几种运输方式相比较，管道运输具有连续性好、运输量大、运价便宜和管理方便等优点，广泛应用于城市发展、能源开发、石油石化的基础设施建设等领域，和人民的生活息息相关，是我国的重大生命线。现代油气管道的历史可以追溯到1869年，美国宾夕法尼亚

2、州建成世界上第一条原油输送管道，这标志着现代管道运输事业的开始。经过一百多年的发展，管道运输己成为各国国民经济的重要组成部分之一，也是衡量一个国家的能源业与运输业是否发达的特征之一。目前全世界油气干线管道己超过150万公里，美国、前苏联、加拿大占了三分之二以上。我国的管道运输事业发展得虽然较晚，但发展很快。上个世纪70年代，我国相继建成了庆抚线、庆铁线、铁大线、铁秦线、抚辽线、抚鞍线、盘锦线、中朝线等8条管线，率先在东北地区建成了输油管网。进入90年代以后，我国的长输管道的建设又有了新的突破，并相继建成了一大批油气长输管道。2003年底，我国油气长输管道累计长度已经达到4

3、5865公里，居世界第六。到2005年，西气东输、陕金二线、忠武线三条输气干线，川渝、京津冀鲁晋、中部、中南、长江三角洲等的区域管网基本完成，象征着我国的管道建设已进入世界先进行列。因此，在这样的大背景下，以研究油、气、水在管道内流动的多相流理论得到了长足的发展。另外，为了实现控制和预测油水两相流动系统,除了要知道油水两相流动条件、流体性质及流体组分外,油水流型特征也成为其必不可少的一个重要条件。1.2国内外研究现状两相流的最初应用年代可以追溯到阿基米德时代，在如今的工业生产过程中普遍存在着两相流的问题。在上个世纪中，核能、化工、石油工业的发展强烈地推进了包括两相流在内的

4、多相流领域中的相关研究，并且在复杂多相流中力学原理的启发下得到了许多重要的研究成果，但是从大的方面来说，对于多相流特别是油水两相流的研究还十分匾乏。我们知道，石油、天然气和水是石油工业中三种普遍的工作流体，可以将其排列组成四种不同的两相流体:气液、液液、固液、固气。油水两相流属液液两相流范畴，它的研究进展远远落后于气液两相流、气固两相流及液固两相流，规律也难以被发现。油水两相流和气液两相流动的根本差异在于:液液的密度差和界面自由能均比气液小得多，而液液界面的动量传递能力比气液界面大得多。国内外对于多相流的研究，主要通过两个研究手段。一方面是通过实验手段来探讨油水两相流的流

5、型及流型转化规律，研究所得数据与现场所得数据的相关性方面。通过实验的方法，利用仪器观察油水两相的流型情况，研究流型转换过程及其影响因素。另一方面，随着个人计算机的出现，研究人员有了处理更复杂流型的能力和工具，为此，人们开发了许多基于多相流力学模型之上的多相流模拟仿真软件，为给定工作条件下的流场进行模拟和分析提供了可靠工具。1.2.1实验研究部分目前国内外的研究，主要仍是依靠实验的方法，针对油水两相流的流型，观察其流动特性，以及对流型转变规律和影响因子进行了研究。流型是描述多相介质在流动中各自的分布方式或流动结构的，可以划分为若干基本的型式，但分类方法至今尚无统一。由于各相

6、间存在随即可变的相界面，致使流型多种多样，十分复杂。早期的学者由于受到实验条件的限制，通常采用目测的方法进行油水流型的划分，具有很大的局限性。早在六七十年代，以Charles、Russel、K.n.Oglesby、Malinowsky等为代表的外国学者，对油一水两相流做了一系列的实验研究，实验中进行了流型的观察和压降规律的研究。在此期间所进行的实验研究都是在小尺寸的有机玻璃管或玻璃管内进行的，主要依靠肉眼来对不同的流型进行分辨，研究尚处于对各种油一水两相流流型的感性认识阶段。二十世纪80~90年代是油水两相流研究的一个高潮。美国Tulsa大学的Traller通过对前人实验

7、工作的总结，将水平油水两相流流型分为分层流和分散流两大类。英国帝国理工大学的Angel在进行的水平油水两相流实验中，观察得到的流型与Trallero的流型基本一致，同时也观察到并定义了三层流流型。以色列特拉维夫大学的Brauner等也对水平油水两相流的流型进行过实验研究，并对流型转化物理机理进行了研究。Brauner在前人工作和实验研究的基础上，全面总结了水平油水两相流流动结构、流型转变机理、油水分层流动时界面的形状及计算等内容，给出了水平油水两相流流型转化得物理模型。这段时期仍以实验研究为主，流型辨识主要是采用电阻抗法结合高