油气混输管道流动特性研究

1、I油气混输管道流动特性研究油气混输管道流动特性研究摘 要在石油工业中，通常石油和天然气是一同生产出来并以混合物的方式进行输送。混合物在管路中流动时，不同参数的变化，形成许多不同的流型。不同的两相流态具有不同的动力学和传热特性，因而进行流态分析对两相流的理论研究与参数测量非常重要。 本篇论文主要介绍了气液两相流型的分类以及主要的研究方法，利用数值模拟软件FLUENT对管道内气液两相流态进行模拟分析。 参照对两相流动的特点的分析，分析FLUENT软件中多相流模型的使用特点，选定了用于模拟多相流在管道中流动的模型VOF模型。采用非稳态、隐式分离求解算法进行数值计算，对管道内流型进行分析。 模拟结果表明：VOF模型可以用来模拟多相流流型中的分层流、波浪流、气泡流、气团流、段塞流以及环状流；液量不变、气量增加条件下以及气量不变、液量减少条件下流型的变化趋势与理论分析相同。将油气两相模拟结果与Bfill流型图进行对比可知基本吻合。 关键词：两相流，流型，数值模拟，FLUENT Study on Flow Pattern ofTwo phase Flow Oil-gas Mixture Pipes

2、ABSTRACT In the petrolemn industry，oil and natural gasar e generally produced at the same time and sent in the form ofmixture When the mixture flows in pipeline，different flow patterns will be formed varying with various parameterschanges The dynamics and heat transfer characteristic is different for different flow patterns of multiphase flowTherefore it is very important to study the flow regimes for the theoretical research of multiphase flow and the measurement of parameters Paper introduces

3、the flow patterns of oilgas flow as well as the major research method，and simulate the flow regimes in pipeline with numerical simulation software FLUENT Through analyzing the characteristics of multiphase flow and the features of use of the multiphase models in FLUENT，the VOF model is selected to simulate the flow regimes of multiphase flow in pipePaper uses the unsteady，implicit，segregated slover to carry out the numerical calculation and does the qualitative analysis for the flow patterns in

4、pipes The simulation results show that VOF model can be used to simulate the stratified flow, stratified wavy flow, bubble flow, plug flow, slug flow and annular flowUnder the condition that gas flow increases or liquid flow reduces，changes of the flow pattern are the same as experiment conclusionsComparing oil-gas flow with the Brill Flow Pattern figure，we know that it is approximately consistent respectively KEY WORDS：Two-phase Flow, Flow Pattern，Numerical Simulation，FLUENT目 录摘 要IStudy on Flow

5、 Pattern ofIITwo phase Flow Oil-gas Mixture PipesIIABSTRACTII第一章 绪论31.1 背景及研究目的和意义31.2 本课题领域的研究概况31.2.1 气液两相流动特性的研究31.2.1.1 气液两相牛顿流体流动特性研究41.2.1.2 油气两相非牛顿流体流动特性研究51.3 技术路线和理论依据7第二章 流体动力学数值模拟82.1 数值计算软件的选取82.2 多相流模型及模型计算原理92.2.1 VOF模型92.2.2 混合模型102.2.3 欧拉模型102.3 边界条件的确定112.3.1 入口、出口边界112.3.2 壁面及内部边界条件122.4 湍流模型122.4.1 湍流模型的选取122.4.2 定义湍流参数122.5 解算器的选择及网格划分142.5.1 选择解算器的具体格式142.5.2 网格划分142.6 可压缩流体流动模拟原理152.6.1 可压缩流动基本概念162.6.2 可压缩流动的基本方程162.6.3 可压缩流动模拟的参数输入162.6.4 可压缩流动求解注意事项172.6.5 求解非定常问题的步骤172.

6、7 本章小节18第三章 数值模拟计算结果及其分析193.1 煤油和空气两相流数值计算结果分析193.1.1 空气的流速变化对流型的影响193.1.2 液体(煤油)的流速变化对流型的影响263.1.3 管径的变化对流型的影响333.2 本章小结37致 谢38参考文献39第一章 绪论1.1 背景及研究目的和意义 油气管道运输是用管道作为运输工具的一种长距离输送液体和气体物资的运输方式，是一种专门由生产地向市场输送石油、煤和化学产品的运输方式，是统一运输网中干线运输的特殊组成部分。管道运输石油产品比水运费用高，但仍然比铁路运输便宜。大部分管道都是被其所有者用来运输自有产品。油气管道运输的主要优点可概括为：运量大、占地少，管道运输建设周期短、费用低。运输安全可靠、连续性强。管道运输耗能少、成本低、效益好。油气混输是当下普遍应用的油气管路运输方式。由于两相流体形态的特殊性，在不同管径、管网布置、流速、油气混合比例下，对整套运输系统的损害程度不同。因此，为了使管道运输系统得到最低伤害并延长其使用寿命,降低维修成本，对石油和天然气输送管道、混合流动特性进行研究和分析。混合料运输的普遍性使得油气混输管

7、道在分析流态方面显得十分必要。石油和天然气的两相流是较为复杂的流动现象，其参数变化将形成许多不同的流型。在工程应用中，气液两相流动压降、界面相份额、传热传质速率、界面稳定性都和流型有着密切的关系。只考虑流型影响的前提下，两相流的研究才能实现足够的精度，基于不同的结果的流型分析计算才可以达到最高的准确性。两相流流型能否准确客观的识别是实现油田气液两相流精确、高效、可靠的生产和技术进步的重要前提。因此，客观上要求对各种流型要有准确的认识。如果采用FLUENT软件对水平管道内的油气两相流动特性进行模拟研究，从中得到了流场分布及其他有价值的参数，这样的话，在设计直径、管网布置、速度、石油和天然气的混合比例的时候，有了直观的参考条件，就会最大程度上减轻了运输的损害程度，使得效益最大化。实际的油气混输过程中，管路的走向较为复杂。本文本着为实际操作提供理论依据的思路，对应用最为广泛的水平直管道进行了研究分析，倾斜管道、垂直管道及其他特殊形态未予分析。1.2 本课题领域的研究概况1.2.1 气液两相流动特性的研究气液两相流用来描述在同一流量系统中同时存在气体和液体两流介质流动现象。气液两相流与单相流重

8、要区别是流动的每个阶段之间存在分界面，并且各阶段的界限和形状随时间的分布、空间、流动而变化，随着流量、物性、管道的几何尺寸、位置等因素的变化，会呈现出多种流动形态。流型是描述气液两相流系统的基本要素之一，在气液两相流的研究和工程应用都有重要的意义。对不同流型的成因和特点的认识，是研究两相流理论和规律的重要组成部分，也会影响到两相流其他的研究。被广泛认可的气液两相流分析方法主要有以下三种。第一种是经验方法，即从物理概念进行分析，用得到的基本微分方程式描述一个两相流的无因次参数，再根据实验数据得到经验公式。第二种是半经验的方法，即根据研究过程的特点，在适当的条件下，从两相流的基本方程描述这个过程的函数形式，然后根据实验结果得到的方程中获得经验关系式。第三种方法是首先区分气液两相流的流型，然后根据各种流型的特点，分析了其流动特性，建立方程。一般来说，最后一种方法是建立在两相流实质性特点的基础上进行研究分析，更具有推广意义。1.2.1.1 气液两相牛顿流体流动特性研究 (1)气液两相牛顿流体流型划分有关气液两相流研究分析多数是重力条件下的气体和牛顿液体(空气一水)的两相流流型和流型图，特别是在

9、水平和垂直上升管流型、流型图的研究相对较为完善。重力的作用引起流动的不对称性,使得垂直流动流型比水平管内更复杂。所以液体堆积在管道下部的流体中，两相流流型变得更加复杂。两相流流型的定义目前并没有统一的标准，综合分析研究认为，随着气体流量的增大，液体流量水平管道类型大致分为：泡状流(Bubbly Flow)；气团流(Plug Flow)：分层流(Stratified Flow)；波浪流(Wavy Flow)：段塞流(Slug Flow)；环状流(Annular Flow)；弥散流(Spray Flow)等。泡状流和弥散流属于分散型，团状流和段塞流属于间歇型，而分离型包括层状流，波浪流和环状流。 很多研究者对气液两相流进行了研究，Shoham(1982)提出将水平管中的气水两相 流流型分为6种，如图1-1所示。 图1-1气液两相流水平管流型【3】Kokal and Stanislav(1989)所得到的流型比较详细，基本囊括了多数研究者所提到的所有流型，他把流型划分成了三个基本的区域：液体控制，气体控制和间歇的流动。其中液体控制的流动分为：分散气泡流和分散泡沫流(Dispersed Bubble and Froth，DBI)；气体控制的流型分为：分层光滑流、分层波浪流、环状管壁流(Annular Wall，AW)和状流型；间歇流型分为：狭长气泡流(Elongated Bubble，EB)、携带分散气泡的狭长气泡流(Elongated Bubble and Dispersed Bubbles，EDB)、段塞流和段塞泡沫流型(Slug F

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