天然气储层裂隙中气-液两相流的流态转变条件数学模型

气-液两相在储层裂隙中流动时可能存在气泡流、段塞流、环雾流等流态,查明流动时流态转变条件能为气-液两相流流态形成机理研究提供依据,有助于天然气井的生产管控。根据气-液两相流不同流态的流动特点,结合连续介质控制理论和动量守恒原理,构建了气泡流-段塞流-环雾状流等流态之间转变的数学模型,确定了各流态间变化的临界条件和主控因素,通过气-液运移产出微观流动物理模拟试验验证了所建数学模型的准确性。结果表明:气-液两相在裂隙中的流态转变是气/液相的物理性质、注气通道孔径、裂隙流动通道孔径、气相流体流速、液相流体流速等因素耦合作用的结果。气泡流与段塞流能否转变主要取决于初生气泡大小、流动通道空间、液相界面波高度;段塞流与环雾流间能否转变取决于气相流体能否击碎液相流体并使之悬浮。不同流态间转变的主要控制因素不同:气泡流与段塞流相互转变的主控因素为裂隙系统的孔径,注气通道孔径越大、流动通道孔径越小,越容易发生段塞流;段塞流与环雾流相互转化的主控制因素为流体流速、气/液相流体的物理性质,气/液相对速度越大、气/液密度差越小、液相表面张力越小,越容易发生环雾流。研究成果能够为天然气储层裂隙中气-液两相流态形成机理和天然气运移产出研究提供理论依据。

气-液两相流装置的控制和不确定度评定

气-液两相流具有复杂的流动状态从而导致其无法被准确地控制,针对一套气-液两相流装置,对装置的压力-流量控制进行了研究,并对气-液两相的联合控制进行了实验,结果表明压力对控制具有较大影响。在控制过程中需要保证压力的不变,而气-液两相的联合控制具有变化的一致性,可通过研究一致性实现气-液两相的准确控制。同时对该装置的气-液两相流分量分别进行不确定度评定,结果表明,装置气体流量的U_(r)(Q_(v,air))=3.8%(k=2);装置液体流量的扩展不确定度U_(r)(Q_(v,liq))=3.2%(k=2),可对气-液两相的流量进行准确显示。

基于LabVIEW的气-液两相流控制系统

通过搭建以PLC控制为核心的气-液两相流动控制系统与装置来研究气-液两相流的溯源问题,装置使用LabVIEW软件实现系统过程的总体控制、数据采集和PID调节功能。汇流管口径为DN25,实现0.5~10 m^(3)/h流量范围的两相汇合,使用压力跟踪从而确保两相控制过程中的压力保持一致,并研究了装置的硬件和软件系统与通过LabVIEW的气-液两相流校准装置的PID数据采集和控制方式。

LEVEL SET输运方程的求解方法及其对气-液两相流运动界面数值模拟的影响

用数值模拟方法来研究气-液两相流动与传热现象是当今多相流领域的一个热门课题。由于两相流固有的复杂性,气-液两相流界面迁移现象的数值模拟一直是两相流研究中的一大难点。本文介绍了捕捉气-液两相流相界面运动的水平集方法(LevelSet)及其研究进展,介绍了求解LevelSet输运方程的3种方法,即一般差分格式、Superbee-TVD格式和Runge-Kutta法-5阶WENO组合格式。结合主流场的求解,分别用这3种方法对4种典型相界面在5种流场中的迁移特性进行了模拟计算,并对计算结果进行了比较和分析。结果表明,Runge-Kutta法-5阶WENO组合格式求解LevelSet输运方程的效果最好,在以后的计算中将主要采用这种组合格式来进行气-液相界面输运方程的求解。

多层新型桨搅拌槽内气-液两相流动的实验与数值模拟

对三层新型组合桨气-液两相搅拌槽内的流体流动进行了实验研究,并采用计算流体力学(CFD)的方法对气-液两相搅拌槽的通气搅拌功率、流场、局部气含率及总体气含率进行了数值模拟,数值模拟采用了欧拉-欧拉方法,数值模拟结果与实验值吻合良好,同时考察了通气流量和搅拌转速对通气搅拌功率和气含率的影响规律.研究结果表明,欧拉-欧拉方法能较好地模拟搅拌槽内气-液两相流的流动状况.

微弯型科氏质量流量计测量气-液两相流研究

与普通U形和△形科氏质量流量计相比，微弯型科氏质量流量计固有频率更高、相位差更小，测量气-液两相流时误差更大。为此，设计气-液两相流实验方案，采用课题组研制的科氏质量流量变送器进行气-液两相流实验，采用BP人工神经网络对测量误差进行建模，得到误差模型，实现对气-液两相流测量误差的在线实时修正。实验结果表明，当密度降在0％～30％范围内变化时，通过在线修正，气-液两相流测量误差从原来的最大为-50％减小到-5％～3％以内，取得了很好的效果。

气-液两相流界面迁移现象的数值模拟研究

借助于LevelSet函数,建立了气-液两相的统一控制方程组,并在交错网格中进行离散.用两种格式,即Superbee TVD格式和5阶WENO格式求解LevelSet函数的输运方程,用SIMPLER算法的思想对主流场控制方程的求解方法进行改进.数值实验结果表明,在求解LevelSet的控制方程时,5阶WENO方法比Superbee TVD格式的结果更准确;用改进的数值算法可成功实现对密度比大于1000/1的气-液两相流界面迁移问题的数值模拟.对几种典型大密度比气-液两相流问题的计算结果与实际问题的物理规律完全一致,验证了该方法的有效性和可靠性.

板式蒸发式冷凝器气-液两相流流动的数值模拟

基于VOF算法,建立了波纹板蒸发式冷凝器的计算模型,考察了气相、板面结构和喷淋水量对液膜流动的影响.结果表明:当空气与水逆流时,会引起雾沫挟带,水膜厚度增加;当空气与水顺流时,水膜厚度会被空气削薄;波纹板结构对液膜的流动形式有重要影响,尺寸较大、凹槽较浅的波纹板有利于水膜的均匀分布;液膜的厚度随着喷淋水量的增大而增加,同时液膜内部振荡加剧,但不影响其流动结构。

水平圆管中气-液两相流动的压降

以气 -液两相流动的均流模型为前提 ,根据稳定一维流动的基本方程推导出了水平圆管中气 -液两相流动的压降计算关系式 ,并提出了数值求解方法 ,给出了计算实例 .

垂直上升管气-液两相流截面含气率的理论模型

本文提出了二维二速度气 液两相流含气率模型,模型考虑了两相间的滑移及含气率和流速沿流通截面的分布,对绝热流动情况下推导出了截面含气率与容积含气率之间的关系式,模型计算结果与实验结果符合较好。

水平矩形小通道内气-液两相流摩擦压降的研究

本文以氮气和水为工质,在水平矩形小通道(d_h=0.99mm)中对两相流摩擦压降进行了实验研究.实验是在大气压力下进行的,氮气的折算流速的范围为0.017～33.3m/s,水的折算流速的范围为0.1～5m/s.实验对所得的219个数据点进行了分析,并同L&M关系式、L&L关系式、均相流模型以及均相流修正模型进行了比较,得出:(1)L&M关系式比均相流模型、均相流修正模型以及L&L关系式的偏差都小,能更好地预测两相流压降变化.(2)L&M关系式中的C在不同的流型(流型是由U_(GS)、U_(LS)以及d_h决定)具有不同的值,在同一U_(LS)下,C随X(U_(GS))的变化呈现一定的规律性,在X=7左右,C出现最大值,而此处恰好是块状流最激烈区域.但是C随U_(LS)没有一定的规律性.

溶液堆内气-液两相流流动及换热特性数值研究

在溶液堆台架模型数值模拟研究的基础上,对实际堆结构的堆芯内气-液两相流流动及冷却盘管与堆内溶液间的换热特性进行了数值模拟研究。采用欧拉两相流模型描述堆芯内气-液两相流流动,MUSIG(MUltiple-SIze-Group)模型描述堆芯内气泡尺度分布和相互作用,流-固耦合模型描述溶液与盘管间换热。数值计算得到了堆芯内的温度、速度、气泡组分等分布及冷却盘管的换热效率。数值计算结果表明:在有气泡扰动时堆内温度分布比没有气泡时均匀,冷却盘管可将堆内产生的85%热量带出,与试验测量结果一致。额定功率时,不同气体产生量对于冷却盘管换热影响的研究表明,随着堆内气泡产生量的增加,溶液与冷却盘管之间的换热得到强化。

外加扰动下垂直管内气-液两相流空隙波特性

采用双环电导探针技术实验研究了外加扰动对垂直上升管内气-液两相流空隙波特征的影响。研究结果表明,气-液两相流空隙波对外加周期性扰动具有频率选择性。在泡状流区,低频扰动能诱发与扰动等频的空隙波;在泡状流/弹状流转变区,低频扰动能加速气泡合并,促进泡状流向弹状流转变;而在弹状流区空隙波特征对外界扰动并不敏感。空隙波的传播速度受外界扰动频率的影响,随着扰动频率的增大,空隙波波速先减少又增大。本文的实验研究发现,存在对气-液两相流空隙波特征影响最为显著的临界扰动频率,在本实验条件和参数范围内,该临界扰动频率为20Hz。

下倾管内气-液两相流单气泡界面特征研究

本文对下倾管内气-液两相流单气泡的界面特征进行了实验和理论研究。实验采用双平行探针技术和摄像方法。结果发现,当弗劳德数Fr较小时存在单气泡的首尾倒置现象,气泡移动速度与这种倒置现象密切相关,单气泡的界面特征与气泡的长度无关而与流体的Fr数密切相关。基于双流体模型推导得到描述气泡尾部特征的计算模型,该模型对下倾管内气泡尾部界面特征的预测与实验结果吻合良好。进一步的理论分析表明,下倾管内气泡首尾倒置的临界Fr数随着管道下倾角和管道内径的增大而增大。

微通道内气-液两相流动特性研究

考察了400μm光滑通道内氮气-乙醇、氮气-CMC(共5组,不同表面张力)的两相流动特性,并给出了更为普遍化的流型图,同时也研究了液体性质(密度、粘度等)对微通道内两相流体流动的影响。结果表明,不同流体的摩擦压降都会随着表观气速和表观液速的增加而呈现上升的趋势,随着粘度的增长,总体压降也会出现上升趋势,并且粘度越大越容易出现环型流。

离心萃取器混合区内气-液两相流的CFD模拟

由于离心萃取器的结构和流体流动较复杂,采用传统的实验难以准确获得其混合区内流场分布特性,为此,采用雷诺应力模型和自由表面模型开展了φ70 mm离心萃取器混合区内气-液两相流的CFD模拟研究。模拟结果表明:混合区轴向截面上气-液两相分布为气体在环隙上部,而液体在环隙下部,且两相之间存在自由液面;随转速增大,环隙内自由液面高度减小,混合区中的主要漩涡变小;随入口水相流量(速)增大,环隙内自由液面高度增大,主要旋涡变大,而固定叶片区中的旋涡数量增加,旋涡变小。所有这些结果有助于准确认识离心萃取器中的流体流动特性,从而实现其科学设计和运行调控。

气-液两相流在振动筛板塔中气含率的研究

本文对气－液两相流在振动筛板鼓泡塔中作垂直并流流动时的气含率做了较系统的测定，并对其试验结果进行了详细的分析与研究。

气-液两相流图像灰度脉动信号的多尺度双分形特性研究

应用高速摄影技术拍取气-液两相流水平管中3种典型流型的动态图像视频,对每一帧图像的平均灰度脉动信号进行提取;将提取的信号进行多尺度固有模态函数分解,然后与极差/标准偏差(R/S)分析方法相结合,提取各尺度的HURST指数和双分形特征。对气-液两相流的3种典型流型进行了气泡群和单个气泡2种形式的动力学行为分析,应用峭度系数提取对分析结果进行验证,并论述了HURST指数值随气相表观速度的变化情况。结果表明:固有模态函数分解(EMD)结合R/S分析能够很好地揭示气-液两相流的非线性动力学特征。

JJF浮选机气-液两相流流场特性研究

为深入研究JJF型浮选机的流场特性及气泡分布均匀性,基于标准k-ε湍流模型和Euler-Euler双流体模型,结合CFD理论对气-液两相流流场特性进行数值模拟,研究了JJF-0.2m^(3)自吸气浮选机的速度场、压力场、气含率以及气泡分布均匀性。模拟结果表明:转子转速提高,平均气含率随之提升,形成的气泡越多;气相、液相的速度矢量图基本一致,沿中心转轴呈对称式分布,混合流体流动形成大范围的涡流,形成的气泡更多;槽内压力主要集中在竖筒与循环筒上,内部存在较大的周向流,转子区域压力降低,转子使用寿命增加;转子区域的气含率随着高度的增加而增加,达到最大值后逐渐降低并趋于稳定,达到稳定状态下的气含率分布均匀且对称,气泡分布均匀且对称,转子与定子区域的气泡在运动过程中与矿浆充分混合,有利于气泡和矿粒间的接触、碰撞和黏附,气泡矿化效果提高,进而可以提高浮选生产效率。

基于相关法的气-液两相流流型的模糊判别方法

气液两相管流流型的自动识别一直是多相流研究中倍受关注的问题 ,而相关法在气液两相流流量的计量中得到了广泛的应用。在一座试验室规模的多相流综合测试环道上 ,由多传感器系统测得气液两相流动的差压波动信号 ,通过计算传感器间的互相关函数 ,并运用模糊数学理论进行了流型的在线自动识别。实验结果表明 。