油气水三相流泡状流气相特性光纤传感器阵列测量方法

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1、国家自然科学基金重大科研仪器项目（资助号：51527805）国家自然科学基金面上项目（资助号：11572220）油气水三相流泡状流气相特性光纤传感器阵列测量方法MeasurementofGasPhaseCharacteristicsinBubblyOil-Gas-WaterFlowsUsingOpticalFiberSensorArray学科专业：控制工程研究生：王帆指导教师：金宁德教授企业导师：马文衡高级工程师天津大学电气自动化与信息工程学院二零一七年十一月摘要油气水三相流现象广泛存在于石油开采及运输过程中。由于油气水三相流相间物理性质

2、差异显著，存在着复杂的相间相互作用，其流动结构更加复杂多变，致使油气水三相流流动参数测量难度很大。泡状流是油气水三相流中的基本流动结构，理解泡状流中气相局部流动特性对持气率传感器优化设计及建立油气水三相流流动模型具有重要意义。考虑到光纤对气相敏感的独特优势，本文提出了移动式双光纤探针与分布式光纤探针阵列测量泡状流气相特性方案。采用Zemax光学设计软件对光纤探针几何结构进行了优化，开展了垂直上升小管径油气水三相流动态实验，分析了油气水三相流泡状流局部持气率、局部流速及瞬时泡径分布特性。此外，基于高分辨率电导传感器测量信号分析了泡状流非线性

3、动力学特性。本文取得的创新性研究成果如下：1．低气量时，持气率峰值出现在近管壁处，随液相表观速度增加，持气率峰值向管中心移动。当气相表观速度较高时，总是管中心处持气率值最高，管壁处最低，持气率剖面呈现“抛物线”形。增大含油率，会使管中央处持气率略有上升，管壁处持气率略有下降，但不会影响持气率剖面分布形态。2．管中心处气泡速度最大，随与管道中心距离的增加，气泡速度逐渐减小。气泡局部上升速度随气相流量、液相混合流量的增加而增加。此外，含油率的上升会对气泡运动产生阻碍作用，使管径向方向不同位置处气泡上升速度均减小。3．管径向方向不同位置处气泡泡

4、径随气相流量的增加而变大，随液相混合流量的增加而减小。当液相流量较高时，管径向气泡泡径分布较为均匀。此外，管径向方向不同位置处气泡泡径随含油率的增大而变大。4．根据十六路分布式单光纤探针阵列传感器测量结果，对气相浓度进行成像，直观显示管截面气相浓度分布。发现气相浓度分布成像结果与移动式探针测量结果有较好的一致性，且敏感于系统的非线性动力学特性变化。关键词：油气水三相流，泡状流，气相特性，分布式光纤探针阵列IABSTRACTOil-gas-waterthree-phaseflowsarefrequentlyencounteredinpetr

5、oleumexploitationandtransportationindustrialprocesses.Theflowstructuresaremorecomplicatedduetosignificantdifferencesinphysicalpropertyandmutualinteractionsamongphases,whichmakesitagreatchallengetomeasurelocalflowparameters.Bubblyflowisafundamentalstructureinthree-phaseflo

6、wsandacomprehensiveknowledgeonlocalgasphasecharacteristicsisofsignificantimportancetodesignandoptimizethestructureofsensoraswellastodevelopoil-gas-waterthree-phaseflowmodels.Consideringtheuniqueadvantageofopticalprobeinhighsensitivitytodetectgas,twoschemes:traversingbi-op

7、ticalfiberprobeanddistributedprobearray,areproposedtomeasurelocalgasflowcharacteristicscomprehensivelyinthispaper.Zemaxsoftwareisusedtooptimizegeometricconstructionofopticalprobeandexperimentsarecarriedouttoinvestigateradialdistributionofgasconcentration,velocityalongwith

8、chordlengthdistributionofbubblyflowsinaverticalupwardpipewithsmallinnerdiameter.Moreover,nonline