本站小編為你精心準(zhǔn)備了新型流動(dòng)調(diào)節(jié)器波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫(xiě)作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

《西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)》2016年第3期

摘要：

對(duì)波紋管的氣液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了波紋管對(duì)分層流的流動(dòng)調(diào)節(jié)作用，驗(yàn)證了數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，通過(guò)彎曲中心角、彎曲半徑和管道內(nèi)徑比、彎管數(shù)目的敏感性分析，對(duì)波紋管的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明：波紋管能夠?qū)⒎謱恿髡{(diào)節(jié)為非分層流，流動(dòng)調(diào)節(jié)效果顯著；彎曲中心角增大，流動(dòng)調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，彎曲中心角的合理范圍為90◦∼130◦，取90◦或120◦便于加工建議采用；增加彎曲半徑或者減小彎管內(nèi)徑，能夠增加彎曲半徑和管道內(nèi)徑比，增強(qiáng)流動(dòng)調(diào)節(jié)作用，彎曲半徑增加，波紋管尺寸增大，投資升高，建議采用減小彎管內(nèi)徑的方法；隨著彎管數(shù)目的增加，波紋管的流動(dòng)調(diào)節(jié)效果增強(qiáng)，應(yīng)綜合考慮安裝空間、投資成本，適當(dāng)選取彎管數(shù)目。

關(guān)鍵詞：

強(qiáng)烈段塞流；波紋管；結(jié)構(gòu)參數(shù)；優(yōu)化；數(shù)值模擬

引言

海洋油氣田開(kāi)采過(guò)程中，需要利用立管系統(tǒng)將海底的集輸管線與海上生產(chǎn)平臺(tái)進(jìn)行連接。在油氣田開(kāi)發(fā)后期，隨著儲(chǔ)層壓力的降低，氣液流速的減小，強(qiáng)烈段塞流隨之出現(xiàn)[1]，會(huì)對(duì)集輸/立管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及油氣田的正常生產(chǎn)帶來(lái)不利影響[2]：造成管路壓降急劇增大，井口回壓升高，油氣井產(chǎn)量減少，甚至發(fā)生停產(chǎn)等事故[34]；集輸管線末端氣相、液相交替流出，使下游分離器發(fā)送溢流或斷流；壓力的劇烈波動(dòng)，引起管道的震動(dòng)，造成管線的機(jī)械損害，影響海洋平臺(tái)的安全性和穩(wěn)定性，還會(huì)加劇管壁的腐蝕以及增壓設(shè)備的氣蝕。YocumBT[5]首次發(fā)現(xiàn)了嚴(yán)重段塞流，其后SchmidtZ等[68]定義此種現(xiàn)象為“嚴(yán)重段塞流”，眾多學(xué)者從理論和實(shí)驗(yàn)研究?jī)煞矫嫜芯苛藝?yán)重段塞流的流動(dòng)特性和消除方法。目前消除強(qiáng)烈段塞流的方法較多，根據(jù)外部干擾的施加與否可分為兩大類(lèi)，即主動(dòng)消除法和被動(dòng)消除法[9]。主動(dòng)消除法主要包括以下3種方法：立管頂部節(jié)流法、外部氣舉法和基于控制的方法；被動(dòng)消除法是利用設(shè)備對(duì)流體的約束和引導(dǎo)來(lái)消除段塞，不需要施加任何外部干擾。相比于主動(dòng)消除法，被動(dòng)消除法在建成投產(chǎn)后便難以調(diào)整，靈活性較差，然而由于生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中無(wú)需額外成本，且可以和主動(dòng)消除法相結(jié)合，應(yīng)用較廣。SchmidtZ等[10]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)烈段塞流發(fā)生的必要條件之一是立管基底上游管道內(nèi)的流動(dòng)為分層流，將管道中的分層流變?yōu)榉欠謱恿骷纯杀苊鈴?qiáng)烈段塞流的產(chǎn)生。流動(dòng)調(diào)節(jié)器通常安裝于立管基底上游，通過(guò)改變流型來(lái)消除強(qiáng)烈段塞流[1112]。波紋管作為一種新型流動(dòng)調(diào)節(jié)器，由于其加工制造簡(jiǎn)單、壓降損失小、緩解壓力波動(dòng)等特點(diǎn)，得到了越來(lái)越多的關(guān)注，XingL等[1315]通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了波紋管的流動(dòng)調(diào)節(jié)效果，結(jié)果表明波紋管在減小強(qiáng)烈段塞流區(qū)域、降低產(chǎn)液量波動(dòng)和減輕壓力波動(dòng)等方面均具有良好的作用。目前針對(duì)波紋管的研究集中在調(diào)節(jié)流型消除段塞流效果方面，尚未發(fā)現(xiàn)針對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)的研究。由于被動(dòng)消除法建成投產(chǎn)后難以調(diào)整，波紋管結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化對(duì)于減少投資、提高消除效果具有重要意義。本文通過(guò)流體力學(xué)模擬軟件數(shù)值計(jì)算，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)波紋管的流動(dòng)調(diào)節(jié)效果，從而優(yōu)化關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)。

1數(shù)值模型

1.1物理模型與網(wǎng)格劃分波紋管由標(biāo)準(zhǔn)彎管組成，標(biāo)準(zhǔn)彎管的幾何參數(shù)包括管道內(nèi)徑d、彎曲半徑R和彎曲中心角α（圖1a），通過(guò)若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)彎管的組合可以形成不同形狀的波紋管，波紋管的特征參數(shù)為振幅A、波長(zhǎng)P和總長(zhǎng)L（圖1b）；波紋管幾何結(jié)構(gòu)由彎曲中心角α、彎曲半徑和管道內(nèi)徑比R/d以及標(biāo)準(zhǔn)彎管數(shù)目N決定。本文研究的波紋管結(jié)構(gòu)尺寸與文獻(xiàn)[7]中的試驗(yàn)件參數(shù)相同，管道內(nèi)徑d=0.101m，彎曲半徑R=0.216m，標(biāo)準(zhǔn)彎管數(shù)目N=5，彎曲中心角α=90◦。 結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格由于網(wǎng)格生成速度快、網(wǎng)格質(zhì)量高、計(jì)算易收斂、精確度高等特點(diǎn)應(yīng)用廣泛，因此采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格對(duì)波紋管進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圓形端面采用O形剖分，波紋管彎曲內(nèi)側(cè)網(wǎng)格加密，從而提高計(jì)算精度，網(wǎng)格數(shù)約為15萬(wàn)。

1.2數(shù)值模型的建立在模擬計(jì)算中流動(dòng)狀態(tài)假定為與時(shí)間無(wú)關(guān)的穩(wěn)定流，重點(diǎn)研究波紋管對(duì)流動(dòng)的調(diào)節(jié)作用，不考慮流體溫度的變化。目前常見(jiàn)的湍流模型有：標(biāo)準(zhǔn)k−ε模型、RNGk−ε模型和可實(shí)現(xiàn)的k−ε模型；在波紋管的兩相流場(chǎng)模擬中，無(wú)強(qiáng)漩渦流動(dòng)和高黏性流體流動(dòng)，因此選用標(biāo)準(zhǔn)k−ε模型，該模型為半經(jīng)驗(yàn)公式，具有適用范圍廣、有合理精度等優(yōu)點(diǎn)。多相流模型有VOF模型、混合模型以及歐拉模型，本文研究波紋管內(nèi)部氣液兩相混合流動(dòng)，可選用混合模型或歐拉模型，考慮到段塞流兩相分布的不均勻，以及相間的混合與分離，故選用混合模型進(jìn)行求解。連續(xù)性方程式中：ρm混合密度，kg/m3；t時(shí)間，s；¯vm平均流速，m/s。動(dòng)量方程式中：p壓差，Pa；µm混合黏度，Pa·s；g重力加速度，g=9.8m/s2；F體積力，N；¯vTm切向平均流速，m/s；αf第f相含量，%；ρf第f相密度，kg/m3；¯vdr,f第f相的拖曳速度，m/s；j總相數(shù)。

1.3氣液分布評(píng)價(jià)指標(biāo)流動(dòng)調(diào)節(jié)器消除強(qiáng)烈段塞流的機(jī)理是將分層流調(diào)節(jié)為非分層流，定義波紋管入口為分層流，比較波紋管出口的氣液相分布，從而評(píng)價(jià)波紋管的流動(dòng)調(diào)節(jié)作用。入口處氣液相在重力方向分層，水平方向相態(tài)保持一致，故需要研究重力方向的氣液分布不均情況。體積含液率表示氣相體積流量與混合物體積流量之比，本文主要研究重力方向的氣液不均，故在重力方向管徑上布置一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含液率表征兩相流動(dòng)狀態(tài)。Dl,i是第i個(gè)點(diǎn)的體積含液率與平均體積含液率的偏差，該值與零之差的絕對(duì)值越小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的體積含液率越接近均值。Dl,i計(jì)算公式為 式中：βl,i第i個(gè)點(diǎn)的體積含液率，%；¯βl平均體積含液率，%。波紋管出口重力方向一系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)方差計(jì)算公式見(jiàn)式（4），數(shù)值越小說(shuō)明氣液相混合越均勻，波紋管流動(dòng)調(diào)節(jié)作用越顯著。式中：STD1監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)方差；N監(jiān)測(cè)點(diǎn)總數(shù)。

2波紋管流動(dòng)調(diào)節(jié)作用的研究

2.1數(shù)值模型的準(zhǔn)確性驗(yàn)證采用空氣和水表征氣液兩相，通過(guò)用戶(hù)自定義函數(shù)，定義波紋管入口為空氣水分層流，其中水為主相，入口壓力值為101325Pa，空氣和水表觀流速均為1.0m/s，通過(guò)比較分析波紋管內(nèi)部流速和氣液相分布，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。波紋管內(nèi)部混合相速度分布如圖2所示，可以看出第一個(gè)波峰處空氣水仍處于分層狀態(tài)，速度上下差異明顯；隨著兩相流體在波峰波谷之間的流動(dòng)，速度分層現(xiàn)象逐漸消失，第三個(gè)波峰處管內(nèi)流速已經(jīng)基本一致，說(shuō)明波紋管對(duì)空氣水分層流的調(diào)節(jié)作用顯著。如圖3所示，為波紋管入口和出口氣液相分布，入口管空氣水呈分層流，下層液相體積分?jǐn)?shù)為1.00，上層液相體積分?jǐn)?shù)為0，流經(jīng)波紋管后，出口的空氣水分層現(xiàn)象消失，最底部液相體積分?jǐn)?shù)為0.75，最上部液相體積為0.60，故在此氣液相表觀流速下波紋管能將分層流調(diào)節(jié)為非分層流，與流動(dòng)調(diào)節(jié)器調(diào)整流型的作用機(jī)理相吻合。圖4為氣液相表觀流速1.0m/s，液相表觀流速分別為0.4，0.6，0.8，1.0m/s工況下波紋管出口的液相分布情況（Dl體積含液率與平均體積含液率的偏差，無(wú)因次）。可以看出，液相表觀流速0.4m/s時(shí)出口液相分布最均勻，隨著液相流速的增大液相均勻程度降低，但均屬于非分層流，說(shuō)明波紋管在不同表觀流速下均具有調(diào)節(jié)流型的作用。數(shù)值模型計(jì)算所得結(jié)論與波紋管的作用機(jī)理吻合，驗(yàn)證了本文所建立數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

2.2彎曲中心角敏感性分析氣液兩相流進(jìn)入波紋管后，始終在彎管內(nèi)流動(dòng)，流體受到向心力的作用，液相密度大于氣相，故液相所受向心力大于氣相，因此液相產(chǎn)生指向彎管中心的速度分量，氣相受到液相擠壓產(chǎn)生反向的速度分量；波紋管平衡位置處，向心力反向，由于向心力的作用產(chǎn)生的速度分量方向改變；在向心力方向和速度分量方向的往復(fù)變化中，氣液兩相不斷混合。保持彎曲半徑和管道內(nèi)徑比和彎管數(shù)目不變，分別模擬彎曲中心角為50◦，70◦，90◦，110◦和130◦結(jié)構(gòu)參數(shù)下的波紋管流動(dòng)情況，研究模擬彎曲中心角的改變對(duì)流動(dòng)調(diào)節(jié)作用的影響。如圖5a所示，彎曲中心角從50◦增加至130◦，出口液相分布均勻性逐漸增強(qiáng)，Dl從相差0.60減少至相差0.10，說(shuō)明隨著彎曲中心角的增大，向心力作用弧長(zhǎng)增加，流動(dòng)調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)。由圖5b可以得到，彎曲中心角從50◦增加至90◦時(shí)，STDl降低了53%，而彎曲中心角從90◦增加至130◦時(shí)，STD1降低了48%，可見(jiàn)角度的增加對(duì)流動(dòng)調(diào)節(jié)作用的影響逐漸減弱。生產(chǎn)中可以增加彎曲中心角實(shí)現(xiàn)波紋管流動(dòng)調(diào)節(jié)作用的增強(qiáng)，當(dāng)彎曲中心角大于90◦時(shí)，流動(dòng)調(diào)節(jié)作用隨彎曲中心角的增加而增強(qiáng)的趨勢(shì)減緩，其合理范圍約為90◦∼130◦，彎曲中心角取90◦或120◦便于加工建議采用。

2.3彎曲半徑和管道內(nèi)徑比敏感性分析流體進(jìn)入波紋管后，所受向心力以及速度分量的方向不斷變化，氣液兩相得以混合。彎曲半徑改變，流體所受向心力改變，氣液相速度分量則改變；管道內(nèi)徑改變，氣液相流動(dòng)空間改變，速度分量作用下的氣液相混合程度改變。保持彎曲中心角和彎管數(shù)目不變，分別模擬彎曲半徑和管道內(nèi)徑比為1.74，1.94，2.14，2.34和2.53結(jié)構(gòu)參數(shù)下的波紋管流動(dòng)情況，研究彎曲半徑和管道內(nèi)徑比對(duì)流動(dòng)調(diào)節(jié)作用的影響。如圖6所示，隨著彎曲半徑和管道內(nèi)徑比的增加，Dl差值從0.30減小至0.20，STDl從0.109減小到0.068，波紋管出口液相分布均勻性增加，波紋管流動(dòng)調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)。生產(chǎn)中為了增強(qiáng)波紋管的流動(dòng)調(diào)節(jié)作用，可以增加彎曲半徑或者減小彎管內(nèi)徑，考慮到增加彎曲半徑會(huì)增大波紋管外形尺寸，使得占用空間增大、投資增加，建議通過(guò)減小彎管內(nèi)徑實(shí)現(xiàn)彎曲半徑和管道內(nèi)徑比的增加。

2.4彎管數(shù)目敏感性分析流體進(jìn)入波紋管后，受到向心力的作用，由此產(chǎn)生的速度分量使得氣液兩相趨于混合，向心力和速度分量的方向在波紋管平衡位置處改變，往復(fù)的方向變化使得流型發(fā)生改變。標(biāo)準(zhǔn)彎管數(shù)目的改變，直接影響向心力和速度分量方向變化的次數(shù)，對(duì)波紋管流動(dòng)調(diào)節(jié)作用的影響顯著。在保持彎曲中心角為90◦、彎曲半徑和管道內(nèi)徑比為2.14、彎管數(shù)目為5的波紋管模擬結(jié)果中，比較彎管數(shù)目為2，3，4，5處截面的液相分布情況，研究彎管數(shù)目的改變對(duì)流動(dòng)調(diào)節(jié)效果的影響。如圖7所示，隨著研究彎管數(shù)目的增加，Dl差值從0.60減小至0.20，STDl從0.202減小到0.092，波紋管出口液相分布均勻性增加，向心力和速度分量方向改變的次數(shù)增多，波紋管的流動(dòng)調(diào)節(jié)效果增強(qiáng)。生產(chǎn)中可以適當(dāng)增加標(biāo)準(zhǔn)彎管的數(shù)量來(lái)增強(qiáng)流動(dòng)調(diào)節(jié)效果，但同時(shí)需要考慮投資成本的增加。

3結(jié)論

（1）作為一種新型流動(dòng)調(diào)節(jié)器，波紋管能夠?qū)⒎謱恿髡{(diào)節(jié)為非分層流，流動(dòng)調(diào)節(jié)效果顯著，從而避免強(qiáng)烈段塞流的發(fā)生。

（2）彎曲中心角增大，流動(dòng)調(diào)節(jié)作用增強(qiáng)，當(dāng)彎曲中心角大于90◦時(shí)，增加對(duì)流動(dòng)調(diào)節(jié)作用的影響減弱，彎曲中心角合理范圍約為90◦∼130◦，取90◦或120◦便于加工建議采用。

（3）增加彎曲半徑或者減小彎管內(nèi)徑，從而增加彎曲半徑和管道內(nèi)徑比，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)調(diào)節(jié)作用的增強(qiáng)，考慮到彎曲半徑增加，波紋管的尺寸變大、投資升高，建議采用減小彎管內(nèi)徑的方法。

（4）隨著彎管數(shù)目的增加，波紋管的流動(dòng)調(diào)節(jié)效果增強(qiáng)，生產(chǎn)中綜合考慮設(shè)備安裝空間、投資成本選擇適當(dāng)?shù)膹澒軘?shù)目。

參考文獻(xiàn)

[1]馬華偉.組合立管系統(tǒng)中嚴(yán)重段塞流特性及其消除方法的研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2008.

[2]牛殿國(guó).強(qiáng)烈段塞流消除與控制技術(shù)研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)（華東），2010.

[3]高嵩.氣液混輸管線與立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流特性研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[4]高嵩，李巍，尤云祥，等.氣液混輸管線與立管系統(tǒng)嚴(yán)重段塞流數(shù)值研究[J].物理學(xué)報(bào)，2012，61（10）：104701.

作者：朱宜亮 魏菲 馬云 龍饒丹 驕季鵬 單位：中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 北京分公司中化石油有限公司 中國(guó)寰球工程公司