油水两相流CFD仿真特性研究

早期的学者由于受到实验条件的限制，通常采用目测的方法进行油水流型的划分，具有很大的局限性。早在六七十年代，以Charles、Russel、K.n.Oglesby、Malinowsky等为代表的外国学者，对油一水两相流做了一系列的实验研究，实验中进行了流型的观察和压降规律的研究。在此期间所进行的实验研究都是在小尺寸的有机玻璃管或玻璃管内进行的，主要依靠肉眼来对不同的流型进行分辨，研究尚处于对各种油一水两相流流型的感性认识阶段。
现代油气管道的历史可以追溯到1869年，美国宾夕法尼亚州建成世界上第一条原油输送管道，这标志着现代管道运输事业的开始。经过一百多年的发展，管道运输己成为各国国民经济的重要组成部分之一，也是衡量一个国家的能源业与运输业是否发达的特征之一。目前全世界油气干线管道己超过150万公里，美国、前苏联、加拿大占了三分之二以上。
总之，在近半个世纪的油水两相流研究中，许多研究者的大量工作都集中在实验研究上，从早期六七十年代通过观察辨识，到八九十年代之后采用了不同的光、电、射线等测试手段更为准确地测取各种油水两相流动特性参数，为进一步研究油一水两相流动规律奠定了实验基础。
1.2.2数值仿真部分
石油工业中对多相流的分析过程可分为三个发展阶段：经验阶段、“苏醒”阶段与建模阶段，共同组成了过去世纪的一大半时间。在经验阶段中，所有的努力都集中在实验室所得数据与现场所得数据的相关性方面，根据两者的关系，试图包含所有工作条件范围的模型。而随着19世纪80年代个人计算机的出现，处理更复杂流型的能力得到了加强，在这个阶段中，石油中很多研究都是关于多相流的，后来的建模阶段是在核工业取得进步的基础上强化的。尽管核工业处理的较简单流体(水和气)，但是它的研究为石油工业中两相流的分析指明了方向。
1.3多相流理论
多相流系统广泛存在于化工、石油、能源、冶金、环保和轻工等各个工业领域，工业生产中的能量、质量运输或材料加工都是依靠多相流现象来实现的。特别是在核能、化工、石油等工业领域内，多相流系统起着至关重要的作用。同时，多相流现象也广泛存在于自然界和其他工程领域中，例如雨、雪、云、雾的飘流，生物体中的血液循环等。
多相流的研究是以工程热物理为基础，与数学、力学、环境、材料等学科相互融合和发展，在科学研究、工业生产、环境保护以及人类生活中日益重要，是目前国内外极为关注的研究热点。
1.3.1 多相流体定义及分类
相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分，各相之间有明显可分的界面。各部分均匀的固体、液体和气体分别称为固相物体、液相物体和气相物体，也统称为单相体。由于气体和液体具有流动的特性，二者一般统称为流体，各部分均匀的气体或液体的单项物质的流动便称为单相流。系统内有两种或多种不同相的物质流动，我们则称之为两相流或多相流。
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式中Qa为a相体积流量，Qb为b相体积流量，Aa为a相所占的管截面积，Ab为b相所占的管截面积。
单位时间内通过管道截面的两相流体的总体积与管截面积的比值为混合速度：
式中Vm为混合速度，A为管截面积。
除了两相间的相对运动，两相流流动系统各相在管截面方向存在浓度分布特性。
持率表示在管道上的某一流动截面上，某相所占的截面积与总流通面积的比值：
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着我国经济和科技的不断发展，管道运输已成为和铁路、公路、水运、航空并列的五大运输方式之一，成为原油、成品油、天然气、燃气和工业用危险介质的主要运输方式。从运输费用上来看，管道以其高效和经济而著称。从能量消耗的角度来讲，输油干线将原油输送1000公里所消耗的能量相当于所输送原油蕴含能量的0.4%。因此，与其他几种运输方式相比较，管道运输具有连续性好、运输量大、运价便宜和管理方便等优点，广泛应用于城市发展、能源开发、石油石化的基础设施建设等领域，和人民的生活息息相关，是我国的重大生命线。
CFD最近20年中得到飞速的发展,除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外,还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制,例如由于问题的复杂性,既无法作分析解,也因费用昂贵而无力进行实验确定,而CFD的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD软件可以拓宽实验研究的范围,减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验,历史上也曾有过首先由CFD数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点,都有适合它的数值解法,用户可对显式或隐式差分格式进行选择,以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD软件之间可以方便地进行数值交换,并采用统一的前、后处理工具,这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动,而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。
1.2.1实验研究部分
目前国内外的研究，主要仍是依靠实验的方法，针对油水两相流的流型，观察其流动特性，以及对流型转变规律和影响因子进行了研究。流型是描述多相介质在流动中各自的分布方式或流动结构的，可以划分为若干基本的型式，但分类方法至今尚无统一。由于各相间存在随即可变的相界面，致使流型多种多样，十分复杂。
我国的管道运输事业发展得虽然较晚，但发展很快。上个世纪70年代，我国相继建成了庆抚线、庆铁线、铁大线、铁秦线、抚辽线、抚鞍线、盘锦线、中朝线等8条管线，率先在东北地区建成了输油管网。进入90年代以后，我国的长输管道的建设又有了新的突破，并相继建成了一大批油气长输管道。2003年底，我国油气长输管道累计长度已经达到45865公里，居世界第六。到2005年，西气东输、陕金二线、忠武线三条输气干线，川渝、京津冀鲁晋、中部、中南、长江三角洲等的区域管网基本完成，象征着我国的管道建设已进入世界先进行列。因此，在这样的大背景下，以研究油、气、水在管道内流动的多相流理论得到了长足的发展。另外，为了实现控制和预测油水两相流动系统,除了要知道油水两相流动条件、流体性质及流体组分外,油水流型特征也成为其必不可少的一个重要条件。
随着近几年国内外一些学者对油水两相流的研究焦点主要集中在对油水均为层流的分层流动的模拟和解析求解上，数值模拟逐渐成为了主要的研究手段。计算机技术的发展，也为利用计算流体动力学软件对油水两相进行数值模拟提供了条件。最早尝试描述流型间互相转化工作原理的是Taitel和Dukfer，他们一直致力于研究水平管多相流和近似水平管多相流。他们的研究成果被认为是预测多相流变化的经典理论之一，并与其它理论的物理见解融合到石油工业多相流分析中，更加开创了多相流流型转化领域研究的先河。Rashmi G.Walvekar等对水平油水两相流进行数值模拟，研究结果表明CFD技术可为水平油水分散流提供数值模拟应用。Christphe Vallee等对水平油水层状流进行了数值模拟与实验结果比较，表明数值模拟是分析水平油水运动的一项有用工具，Hui Gao等通过比较水平油水两相流湍流数值模拟与实验结果的压力损失和滑动系数等参数表明CFD可应用于分层流湍流模型中。
计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。 是目前国际上一个强有力的研究领域,是进行多相流研究的核心和重要技术。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。
1.2国内外研究现状
两相流的最初应用年代可以追溯到阿基米德时代，在如今的工业生产过程中普遍存在着两相流的问题。在上个世纪中，核能、化工、石油工业的发展强烈地推进了包括两相流在内的多相流领域中的相关研究，并且在复杂多相流中力学原理的启发下得到了许多重要的研究成果，但是从大的方面来说，对于多相流特别是油水两相流的研究还十分匾乏。我们知道，石油、天然气和水是石油工业中三种普遍的工作流体，可以将其排列组成四种不同的两相流体:气液、液液、固液、固气。油水两相流属液液两相流范畴，它的研究进展远远落后于气液两相流、气固两相流及液固两相流，规律也难以被发现。油水两相流和气液两相流动的根本差异在于:液液的密度差和界面自由能均比气液小得多，而液液界面的动量传递能力比气液界面大得多。
式中Ya为a相持率。
含率表示某相体积流量与两相混合物体积流量的比值：
式中Ka为a相含率。
第二章计算流体动力学理论
2.1计算流体动力学概述
CFD(Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学,简称CFD。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。
国内外对于多相流的研究，主要通过两个研究手段。一方面是通过实验手段来探讨油水两相流的流型及流型转化规律，研究所得数据与现场所得数据的相关性方面。通过实验的方法，利用仪器观察油水两相的流型情况，研究流型转换过程及其影响因素。另一方面，随着个人计算机的出现，研究人员有了处理更复杂流型的能力和工具，为此，人们开发了许多基于多相流力学模型之上的多相流模拟仿真软件，为给定工作条件下的流场进行模拟和分析提供了可靠工具。
二十世纪80~90年代是油水两相流研究的一个高潮。美国Tulsa大学的Traller通过对前人实验工作的总结，将水平油水两相流流型分为分层流和分散流两大类。英国帝国理工大学的Angel在进行的水平油水两相流实验中，观察得到的流型与Trallero的流型基本一致，同时也观察到并定义了三层流流型。以色列特拉维夫大学的Brauner等也对水平油水两相流的流型进行过实验研究，并对流型转化物理机理进行了研究。Brauner在前人工作和实验研究的基础上，全面总结了水平油水两相流流动结构、流型转变机理、油水分层流动时界面的形状及计算等内容，给出了水平油水两相流流型转化得物理模型。这段时期仍以实验研究为主，流型辨识主要是采用电阻抗法结合高速摄影技术来了解油水两相流的流型特征，在一定程度上消除了流型辨识主观性，并从实验和理论分析两方面提出了基于流型的摩擦压降预测模型或特定流型情况下的经验公式。
多相流根据参与流动各相的数目一般可分为两相流和三相流。其中，两相流可以分为四种:气液两相流、气固两相流、液固两相流以及由两种不能均匀混合的液体一起流动的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ液两相流。例如在石油工业中，三种普遍的工作流体(石油、天然气和水)可以排列组成四种不同的两相流体:气液、液液、固液、固气。固相可以通过两种途径加入流体，一种是来自油层自身:生产过程中钻头的运动和沙子的形成，使得固相加入到了流体中;另一种是主要产品生产条件形成的复杂固相结构，例如天然气中的碳氢化合物—石油流体中的石蜡和沥青。
1.3.2 两相流基本流动参数
在两相流流动参数研究中，主要参考以下参数。假设两相分别为a相和b相。在两相流系统中，由于存在流体间的相对运动，除了表征两相流混合整体的流动速度之外，还有表征各个分相的实际速度，表观速度以及表征分相速度差异的相对速度，分相实际速度比。
时间内管道截面上通过的某相得体积与其所占的管道截面面积之比为相速度(phase velocity)：
近年来，国内在油水两相流流动规律及资料解释方面的研究取得了较大的进展。陈杰等在内径为26.1mm、长约30m的水平不锈钢多相流实验环道上进行油水两相流实验，测量并观察到了7种油水两相流流型，同时建立了油水两相管流流型的转换准则。姚海元在内径为25.7mm，长52m的水平不锈钢油水两相流实验环道内对油水两相流流型及其转换特性进行了实验研究，定义了12种流型，利用量纲分析的方法得到了流型转换的准则关系式。吴铁军等在内径为40mm，长度为20m的有机玻璃管内进行水平油水两相流实验，定义了不同流动条件下的九种流型，并采用无量纲准则数以及半理论公式对流型转变进行了预测。
19世纪90年代后，已经有许多商业化的能够完成专门任务的两相流软件包，例如:OLGA，TACITE，PEPITE及PIPESIM等等。当前，石油工业中研究多相流建模的最基本、严谨的方法是二流体建模法。在二流体建模中，每中流体相都有三个单独的守恒方程(质量、动量及能量)，总共六个方程式，每个方程式都注明了两种流体相互作用的条件。