倾斜管内油气两相流段塞流特性及其识别方法研究

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1、上海交通大学博士学位论文倾斜管内油气两相流段塞流特性及其识别方法研究姓名：贾志海申请学位级别：博士专业：工程热物理指导教师：王经20041127摘要通过改变管道倾斜角度1°2°3°5°以及10°研究了倾角变化对管内流型分布特征的影响结果表明水平管道和倾斜管道内流型及其转变边界区别明显管道倾角对流型变化影响显著研究还发现水平管道和倾斜管道内段塞流的形成方式有明显差异水平管道内段塞流的形成有其瞬时性而倾斜管道内段塞流则是由泡状层流在界面波的作用下逐渐发展生成此外水平和倾斜管道内都存在段塞流转变的临界表观液速且在水平管道中该值较大最后绘制了不

2、同倾角的倾斜管道中油气两相流流型图为段塞流的研究提供了定量参数二研究了管道倾斜角度管径以及流体物性对管内两相流流型分布的影响由于工程实际中各油田在这三个方面存在明显差异因此研究这些因素对管内流型分布的影响对研究油气混输流动具有重要的意义本文利用流型预测模型模拟了这些因素对管内流型分布的影响并和实验结果进行了比较研究表明管道倾角对管内流型分布及其转变特征影响显著水平管道和倾斜管道内流型分布结构区别明显但对于小倾角的倾斜管道流型分布结构相似只是转变边界出现位移研究还表明小倾角倾斜管道和大倾角倾斜管道内流型分布也存在明显区别在小倾角管道中在较

3、低的气液相表观速度下流型为延长泡状流而在大倾角管道中则为分散泡状流流型间的转换边界也发生改变管径对管内流型分布也有着较大的影响并主要表现在层状流向延长泡状流转变所要求的液相表观速度上研究表明随着管径增加层状流向段塞流转变需要的液相表观速度明显增大流体物性对管内流型分布也有一定程度的影响本文集中研究了液相粘度气相密度以及液相表面张力三个因素对管内流型分布的影响结果表明液相粘度的变化对流型分布的影响主要表现在层状流向延长泡状流转变上液相粘度的增大使得流型转变需要的液相表观速度降低气相密度的增大使得流型间转变需要的气相表观速度都有所降低而液相

4、表观速度增加研究还表明液相表面张力变化对流型分布的影响很小上述研究结论不仅为油气混输技术中管道管径及铺设角度的选取提供了理论依据也为进一步深入-ii-上海交通大学博士学位论文倾斜管内油气两相流段塞流特性及其识别方法研究研究油气混输管内流型变化提供了参考数据三研究了倾斜管道内段塞流的转变速度及其频率特征并对段塞流控制技术进行了探讨段塞流是油气混输管线中最常见的一种流型严重的段塞流会给混输管线以及沿程设备造成巨大的危害甚至造成混输停止本文利用Kelvin-Helmholtz模型修正的段塞稳定模型以及Petalas&Aziz模型并结合本文实验

5、研究了段塞流在水平和倾斜管道内段塞流转变速度特征研究表明水平和倾斜管道内段塞流转变的临界液面高度与管径比值h/D随表观气速的增高随之降低且在倾斜管道中随着倾角的增大段塞流转变的临界h/D增大段塞流转变需要的临界表观气速增高研究还表明本文提出的利用公式(A/A)=0.45+0.65sinqL1crit作为临界段塞流转变速度判据的修正段塞稳定模型和实验数据吻合良好利用该模型可以较好的实现对水平和小倾角倾斜管道内段塞流转变速度的预测从而为段塞流转变速度的预测提供了一种新的计算方法此外对倾斜管道内的段塞频率特征进行了研究结果表明在水平管道中段塞

6、频率随气相表观速度的增加随之增大而在倾斜管道中则呈现降低的趋势研究还发现随着倾角的增大段塞频率随之增大最后本文对段塞流控制技术进行了探讨指出利用自举法和动态控制技术相结合可以实现对段塞流的较好控制并对段塞流控制技术的研究趋势进行了探讨四在实验和理论研究的基础上综合运用小波分析概率密度函数PDF以及神经网络NN对倾斜管内油气两相流段塞流流型进行了识别提出了PDF&NN流型识别方法气液两相流动的流型识别理论是进行压降传热等计算的基础对油气混输管线以及相关设备的设计操作运行以及对段塞流的控制具有极为重要的意义本章基于模式识别的基本方法选用差压

7、信号作为反映流型变化的特征信号对倾斜管内油气两相流动典型流型进行识别为了提高信号处理的精度首先运用小波分析技术对信号进行去噪处理然后利用概率密度函数对信号特征进行分析定义了四个特征参数即PDF波峰个数K1主波峰位置K2-iii-摘要PDF方差K3以及差压相对均方差K4来量化不同流型的PDF特征并构成特征向量最后由这四个参数构成的特征向量作为改进的反向传播BP神经网络的输入样本来对网络进行训练来识别流型结果表明这种方法具有识别速度快准确率高计算简单和智能性较高等特点从而为油气混输流动流型识别提供了一种新颖可行的方法为段塞流的控制奠定了基础

8、由于大型可倾斜管道多相流实验装置的缺乏和高运行费用目前对该方面油气两相流动的实验研究还不充分本文围绕内径为125mm的水平和倾斜管道内油气两相流流型以及段塞流的关键问题运用实验和理论相结合的方法较为深入的研