论文部分内容阅读
一维稳态和瞬态气液两相管流广泛出现在石油工程、化学、核电等领域。在石油工程中，气液两相处理设备的设计、管道尺寸的选择等均需要深入研究两相流特性，包括流型、持液率和压力梯度以及压力波和持液率波的波动特性，本文将对这些问题进行探讨，旨在提高对两相流的预测精度。本文对气液两相管流进行了以下几个方面的研究：
(1)在大型两相流实验台上进行了8个管倾角共355组空气-水两相稳态实验，测试管段为长8m、内径40mm透明的有机玻璃管。气相表观速度变化范围为0.33~36.0m/s，液相表观速度变化范围为0.02~3.76m/s。借助高速摄影系统捕捉管道中气液两相的动态变化图像。采用压力、压差传感器测量了不同流动状态时压力脉动、平均压力梯度。手动测量管段平均持液率。综合运用高速摄影机和压力信号确定不同管倾角时的两相流流型。观察到了两相流中典型的流型:分层流(分层光滑流和分层流波状流)、段塞流、泡状流、环状流。
(2)利用观测得到的流型对Barnea统一流型预测模型进行验证，结果表明：在流动范围内，Barnea模型可很好的对不同管倾角两相流动进行流型预测，除了分层流-环状流或段塞流-环状流过渡边界。采用持液率和平均压力梯度实验数据对4种两相管流稳态预测模型(Beggs-Brill、Mukherjee、Gomez和Kaya)进行了验证，结果发现:4种模型均高估了平均持液率；平均压力梯度预测结果受管道倾角的影响，当管倾角小于20°时，Gomez模型预测值偏大，且存在离散数据点；倾角较大时4种模型预测值均偏小。
(3)采用VOF方法对水平、倾斜和竖直管进行了了3D瞬态两相流模拟，获得不同流动条件下的管道中流型、多个管截面处的持液率脉动和压力脉动。通过对比高速摄影图片和管横截面含气率云图，可以发现：采用VOF法可有效的判别空气-水两相流的流型，同时提供了更多的流动细节。在此基础上，探讨了管倾角、气量、液相粘度对流型、压力和持液率脉动以及持液率的概率密度曲线的影响。
(4)探讨了一维漂移通量模型的数学性质，并采用混合激波捕捉格式-AUSM类格式进行离散。将离散化的一维漂移通量模型用于模拟入口流量缓慢变化、出口压力保持不变的气液两相管流。AUSM类格式(AUSMD、AUSMV、AUSMDV)计算所得结果基本一致。研究了漂移速度关系式对慢速瞬变流的影响，通过数值计算可以发现：3种漂移速度关系式(Bendiksen、Joseph和Morrias)仅对持液率、压力曲线的幅值有影响，而曲线形状几乎不变，且彼此平行。采用MUSCL法和Runge-Kutta法将时间、空间一阶精度的AUSM类数值格式拓展至二阶精度，对比分析发现，高阶精度格式对压力波的捕捉效果明显好于低阶精度格式，对含气率波的捕捉效果提升不明显。空间精度为二阶时，提高时间精度并未带来明显的性能提升。
(5)对一维7方程双流体模型进行了数学分析，与漂移通量模型数学性质不同，双流体模型在所有的流动范围内保持双曲型特性，因此可采用具有激波捕捉能力的Godunov格式对其进行离散。采用双流体模型对入口流量随时间慢速变化和阀门快速关闭两种情况的两相管流进行模拟，模拟结果与实验结果进行对比，发现一维7方程双流体模型可很好的捕捉慢速瞬变和快速瞬变两种情况时的压力波、含气率波的传播特性。
(1)在大型两相流实验台上进行了8个管倾角共355组空气-水两相稳态实验，测试管段为长8m、内径40mm透明的有机玻璃管。气相表观速度变化范围为0.33~36.0m/s，液相表观速度变化范围为0.02~3.76m/s。借助高速摄影系统捕捉管道中气液两相的动态变化图像。采用压力、压差传感器测量了不同流动状态时压力脉动、平均压力梯度。手动测量管段平均持液率。综合运用高速摄影机和压力信号确定不同管倾角时的两相流流型。观察到了两相流中典型的流型:分层流(分层光滑流和分层流波状流)、段塞流、泡状流、环状流。
(2)利用观测得到的流型对Barnea统一流型预测模型进行验证，结果表明：在流动范围内，Barnea模型可很好的对不同管倾角两相流动进行流型预测，除了分层流-环状流或段塞流-环状流过渡边界。采用持液率和平均压力梯度实验数据对4种两相管流稳态预测模型(Beggs-Brill、Mukherjee、Gomez和Kaya)进行了验证，结果发现:4种模型均高估了平均持液率；平均压力梯度预测结果受管道倾角的影响，当管倾角小于20°时，Gomez模型预测值偏大，且存在离散数据点；倾角较大时4种模型预测值均偏小。
(3)采用VOF方法对水平、倾斜和竖直管进行了了3D瞬态两相流模拟，获得不同流动条件下的管道中流型、多个管截面处的持液率脉动和压力脉动。通过对比高速摄影图片和管横截面含气率云图，可以发现：采用VOF法可有效的判别空气-水两相流的流型，同时提供了更多的流动细节。在此基础上，探讨了管倾角、气量、液相粘度对流型、压力和持液率脉动以及持液率的概率密度曲线的影响。
(4)探讨了一维漂移通量模型的数学性质，并采用混合激波捕捉格式-AUSM类格式进行离散。将离散化的一维漂移通量模型用于模拟入口流量缓慢变化、出口压力保持不变的气液两相管流。AUSM类格式(AUSMD、AUSMV、AUSMDV)计算所得结果基本一致。研究了漂移速度关系式对慢速瞬变流的影响，通过数值计算可以发现：3种漂移速度关系式(Bendiksen、Joseph和Morrias)仅对持液率、压力曲线的幅值有影响，而曲线形状几乎不变，且彼此平行。采用MUSCL法和Runge-Kutta法将时间、空间一阶精度的AUSM类数值格式拓展至二阶精度，对比分析发现，高阶精度格式对压力波的捕捉效果明显好于低阶精度格式，对含气率波的捕捉效果提升不明显。空间精度为二阶时，提高时间精度并未带来明显的性能提升。
(5)对一维7方程双流体模型进行了数学分析，与漂移通量模型数学性质不同，双流体模型在所有的流动范围内保持双曲型特性，因此可采用具有激波捕捉能力的Godunov格式对其进行离散。采用双流体模型对入口流量随时间慢速变化和阀门快速关闭两种情况的两相管流进行模拟，模拟结果与实验结果进行对比，发现一维7方程双流体模型可很好的捕捉慢速瞬变和快速瞬变两种情况时的压力波、含气率波的传播特性。