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        水平管段塞流特性及參數(shù)研究方法討論

        2019-11-11 06:54:52曹沙沙李施放羅曉坤
        云南化工 2019年9期
        關(guān)鍵詞:段塞流流型管路

        曹沙沙,李施放,唐 琪,羅曉坤

        (1.西安石油大學(xué),陜西 西安 710065;2.中石油塔里木油田公司,新疆 841000;3.中石油新疆油田公司,新疆 834000)

        在常規(guī)生產(chǎn)中的水平管路中的流型大體上可分為:分層流、環(huán)狀流、氣泡流和本文的重點(diǎn)研究對象段塞流。段塞流本質(zhì)上可以理解為是氣柱和液柱交替向前流動(dòng)的一種流型,在水平管路中段塞流形成的原因是因?yàn)楸緛矸謱恿鲃?dòng)的氣相和液相在達(dá)到平衡以后由于氣相液相的流動(dòng)特性不同,穩(wěn)定被破壞,氣相不斷地對液相進(jìn)行吹掃擾動(dòng)了氣液兩相的邊界形成了波浪流,形象地講就像風(fēng)與浪的關(guān)系,風(fēng)不斷掠過海平面而形成了浪,當(dāng)浪高足以填充管路的時(shí)候便形成液塞,也就形成了段塞流。在了解了當(dāng)前的研究成果以后我們發(fā)現(xiàn)描述段塞流流動(dòng)的參數(shù)主要為液塞的長度、速度和頻率,此外各部分的截面含氣率以及氣泡的速度等也都是要考慮的。

        1 數(shù)值模擬

        數(shù)值模擬是隨著信息時(shí)代到來應(yīng)運(yùn)而生的一種有效的科研手段,目前可以說是所有理工類學(xué)科的背后都有數(shù)值模擬在支撐。本文的重點(diǎn)研究對象在大方向上可以歸為以計(jì)算流體力學(xué)動(dòng)力學(xué)分析為理論基礎(chǔ)的多相流流動(dòng)特性及參數(shù)研究。

        以目前行業(yè)內(nèi)比較熱門的數(shù)值模擬軟件FLUENT 的基本操作步驟為例,首先我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)水平管路的幾何模型然后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,在加密網(wǎng)格驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性以后就可以設(shè)置求解器及操作條件了,根據(jù)我們的研究對象段塞流進(jìn)行物理模型的設(shè)定以后還需要根據(jù)材料性質(zhì)設(shè)定邊界條件。以上操作完備以后就可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的計(jì)算了,這時(shí)我們可以監(jiān)視求解過程并進(jìn)行求解設(shè)置。整個(gè)過程環(huán)環(huán)相扣,等待運(yùn)算完成以后我們可以直觀地看到許多平時(shí)的實(shí)驗(yàn)難以監(jiān)測的數(shù)據(jù)。操作框圖如圖1。

        圖1 數(shù)值模擬操作步驟

        2 實(shí)驗(yàn)研究

        實(shí)驗(yàn)研究一直以來都是一種比較有說服力的研究方法,自然科學(xué)的建立可以說是離不開實(shí)驗(yàn)研究的,但是隨著時(shí)代的發(fā)展,人們認(rèn)知這個(gè)世界廣度變大的同時(shí)也對事物產(chǎn)生了更深的認(rèn)知,因此一些現(xiàn)代的學(xué)科很難再用實(shí)驗(yàn)來完美的論證,段塞流就是這樣,它的不穩(wěn)定性讓實(shí)驗(yàn)人員難以在實(shí)驗(yàn)室中將它穩(wěn)定地締造出來,因此對于這一課題實(shí)驗(yàn)人員只能采用最常用的流量平均值法來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定,在這個(gè)過程中液塞的長度、速度、頻率、持液率以及單元長度可以被穩(wěn)定描述。

        按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作流程,首先我們要確定用于實(shí)驗(yàn)測量的裝置、實(shí)驗(yàn)操作過程中的工況參數(shù)還要確保能夠順利采集我們需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個(gè)準(zhǔn)備工作好了以后就可以開始搭建實(shí)驗(yàn)平臺并熟悉整個(gè)操作流程,此外保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)的安全永遠(yuǎn)是第一位的,按照事先預(yù)定好的流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并采集數(shù)據(jù),最終整理好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就可以依照現(xiàn)有的理論或公式對我們想要觀測的參數(shù)進(jìn)行處理了。圖2 所示便是傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)操作流程,同樣適用于水平管路中段塞流特性的研究。

        圖2 實(shí)驗(yàn)研究操作步驟

        3 總結(jié)

        無論是哪種研究方法都會有自身的長處和短板,許多科研人員為了強(qiáng)調(diào)科學(xué)研究的科學(xué)性是會從多個(gè)維度尋找證據(jù)來佐證自己整個(gè)科研成果是可信的,在段塞流這一不穩(wěn)定的流型身上我們值得做更多工作來為石油行業(yè)的進(jìn)展做出貢獻(xiàn)。

        單就數(shù)值模擬這一方面來看,節(jié)省了多方面成本這一優(yōu)勢是顯而易見的,我們只需要準(zhǔn)確地輸入我們預(yù)設(shè)的各項(xiàng)條件,其余全部由計(jì)算機(jī)代勞,而且整個(gè)過程以目前的技術(shù)來看我們是可以全程監(jiān)視求解過程的,這在一定程度上增加了我們數(shù)值模擬的說服力。但是數(shù)值模擬的不足其實(shí)也在于說服力,從某種意義上來講終歸是一紙空談,在沒有實(shí)際模型的背景下很難完美地用數(shù)據(jù)來認(rèn)定成果是無誤的,而且數(shù)值模擬最大的困難是模擬軟件的完成,這需要前期大量的投入,而且數(shù)值模擬軟件的操作難度相對來說并不是很小,需要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和深入的理解,中間一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題后整個(gè)模擬都會宣告失敗,而且尋找紕漏也不是一個(gè)容易的過程。

        而另一方面的實(shí)驗(yàn)研究,顯然實(shí)驗(yàn)設(shè)備的高投入是必然的,而且操作過程繁瑣,尤其是對于水平管路段塞流這種難以監(jiān)測的不穩(wěn)定流型就更加難以求得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),但是實(shí)驗(yàn)法用于水平管路段塞流分析的優(yōu)勢在于水平管路最容易實(shí)現(xiàn),而且在空間允許的情況下完成的實(shí)驗(yàn)從某種程度上是可以代替實(shí)際生產(chǎn)的模型來完成模擬。

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