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倾斜管内气液两相逆流极限实验研究

核动力工程 2024年

作者：马有福韩林峰温慧铭吕俊复王硕上海理工大学能源与动力工程学院动力工程多相流动与传热重点实验室怀柔实验室山西研究院清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室

失水事故下压水堆热段内气液两相顺利逆流对防止堆芯熔化事故至关重要，而热段是由水平管与倾斜管组合而成。为探明热段内气液逆流的约束机制，以常温空气/水为两相工质对倾斜管与水平管内气液两相逆流极限（CCFL）特性进行实验，研究... 详细信息

失水事故下压水堆热段内气液两相顺利逆流对防止堆芯熔化事故至关重要，而热段是由水平管与倾斜管组合而成。为探明热段内气液逆流的约束机制，以常温空气/水为两相工质对倾斜管与水平管内气液两相逆流极限（CCFL）特性进行实验，研究了管道布置倾角（0°～30°）和管径（40～100 mm）对管内CCFL的影响。主要结论有：CCFL工况下，水平管内呈分层流；随管道倾角和管径增大，倾斜管内分层流逐渐过渡为雾状流；相同管径下，以表观流速表征的CCFL曲线随管道倾角增大而升高，意味着热段内气液逆流主要受水平段控制；相同管道倾角下，倾斜管与水平管的CCFL表观流速曲线均随管径增大而升高；传统Wallis参数未反映管道倾角对CCFL的影响，也未能准确表征管径对水平管CCFL的影响，但Wallis参数可良好关联管径对倾斜管CCFL的影响；提出了可同时关联管道倾角与管径影响的倾斜管CCFL实验关联式。研究结果对压水堆核电厂的安全性分析提供了基础数据和实验关联式。

关键词：压水堆失水事故气液两相逆流极限(CCFL) 倾斜管管径效应

倾斜管不同黏度气液两相段塞流持液率实验及预测方法

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特种油气藏 2024年

作者：刘自龙钱萧刘超管桐王伟廖锐全长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室中国石油气举试验基地多相流研究室中国石油渤海钻探工程公司中国石油华北油田分公司中国石油吐哈气举技术中心

准确预测持液率可为井筒中的流型判断和压降预测提供重要依据，段塞流为稠油井筒中最常见流型，井筒高黏流体将加重气液两相滑脱，导致现有持液率模型应用于高黏流体的预测精度变差。为此，基于多相管流实验平台，在内径为60mm的测试管... 详细信息

准确预测持液率可为井筒中的流型判断和压降预测提供重要依据，段塞流为稠油井筒中最常见流型，井筒高黏流体将加重气液两相滑脱，导致现有持液率模型应用于高黏流体的预测精度变差。为此，基于多相管流实验平台，在内径为60mm的测试管段内开展段塞流持液率实验，获取了不同黏度（50、100、290、480mPa·s）、不同倾角（45、60、90°）段塞流流型及持液率数据，研究了黏度对持液率和流型转变的影响规律，并结合实验现象和理论推导，提出了倾斜管不同黏度气液两相段塞流持液率新模型。研究表明：液相黏度的增加，会增加液相与管壁之间的黏滞力，导致持液率的增加；黏度对持液率的影响会改变段塞流与其他流型的转变界限。以Kora液塞区持液率关系式为基础，建立了用混相黏度代替液相黏度的倾斜管气液两相段塞流持液率新模型，并利用实验数据和文献数据进行了验证，证实新模型具有更高的精度。该研究可为预测稠油井井筒压降提供技术支持。

关键词：段塞流持液率气液两相流倾斜管稠油

全耦合CFD-DEM颗粒水力输送模型及其在倾斜管中的应用

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清华大学学报(自然科学版) 2024年

作者：周游陈根发陈明洪陈鑫何茜中国农业大学水利与土木工程学院中国水利水电科学研究院水资源研究所

为克服传统计算流体动力学离散元法(CFD-DEM)中流体网格需为颗粒尺寸数倍的限制,该文综合考虑相间作用力和颗粒湍流相互作用,建立了基于扩散平均算法的全耦合CFD-DEM密集颗粒水力输送模型。经实验验证,全耦合模型能很好地预测管内两相... 详细信息

为克服传统计算流体动力学离散元法(CFD-DEM)中流体网格需为颗粒尺寸数倍的限制,该文综合考虑相间作用力和颗粒湍流相互作用,建立了基于扩散平均算法的全耦合CFD-DEM密集颗粒水力输送模型。经实验验证,全耦合模型能很好地预测管内两相流动特性。研究了管道倾角对2 mm粗颗粒水力输送特性包括颗粒空间分布、两相轴向速度、流体湍动能和压降等的影响。结果表明:随着倾角增加,颗粒由偏向管道底部堆积的分布逐渐向近乎均匀的分布转变,流体轴向速度和湍动能分布先逐渐不对称后恢复对称,在60°时不对称程度最大;颗粒颗粒和颗粒壁面间碰撞次数均随倾角增加先略微增加后迅速减小;两相流压降随倾角增加先增加后减小,在60°时最大。为降低能耗,输送颗粒应避免使用60°倾斜管,尽量使用小角度或大角度倾斜管。

关键词：倾斜管水力输送计算流体动力学离散元法(CFD-DEM) 压降两相流

低质量流速下倾斜管内纯蒸汽冷凝换热特性研究

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哈尔滨工程大学学报 2022年第7期43卷 986-992页

作者：杨培勋曹夏昕刘佳宝姜博洋哈尔滨工程大学核动力装置性能与设备黑龙江省重点实验室黑龙江哈尔滨150001

针对纯蒸汽在倾斜管内冷凝换热研究的不足,本文研究了质量含气率、倾角和质量流速对纯蒸汽在倾斜光滑管内冷凝过程中换热特性的影响。实验中蒸汽在内径为25 mm、长1050 mm的倾斜管内向下流动,与水平方向呈0°~30°,压力为0.1~0.3 MPa,... 详细信息

针对纯蒸汽在倾斜管内冷凝换热研究的不足,本文研究了质量含气率、倾角和质量流速对纯蒸汽在倾斜光滑管内冷凝过程中换热特性的影响。实验中蒸汽在内径为25 mm、长1050 mm的倾斜管内向下流动,与水平方向呈0°~30°,压力为0.1~0.3 MPa,质量流速为10~25 kg/(m^(2)·s)。结果表明:本实验低质量流速下,流型处于分层流,重力占主导地位,在相同流型下,局部换热系数随蒸汽质量含气率的降低而降低;质量流速的升高会减弱倾角对换热系数的影响;倾斜角度对平均换热系数的提高呈非单调性变化;同时通过对比以往的水平管内换热关系式,其中Chato的换热关系式基本偏差在±30%,并提出了基于实验数据的经验关系式,计算值与实验数据比较偏差在±20%以内。

关键词：倾斜管冷凝换热纯蒸汽低质量流速实验研究经验关系式非单调性两相流型

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倾斜管内低含液气液两相流流动特性数值研究

倾斜管内低含液气液两相流流动特性数值研究

作者：韩楚君西安石油大学

学位级别：硕士

在石油与天然气的采出与运输过程中,低含液气液两相流动广泛存在,这种特殊的气液两相流动常见于管道湿气集输与倾斜天然气井筒中。我国国土广袤,输油气管线大多分布在地形起伏较大的区域,由于运输量较大、运输距离长,为了节约成本、提... 详细信息

在石油与天然气的采出与运输过程中,低含液气液两相流动广泛存在,这种特殊的气液两相流动常见于管道湿气集输与倾斜天然气井筒中。我国国土广袤,输油气管线大多分布在地形起伏较大的区域,由于运输量较大、运输距离长,为了节约成本、提高运输效率,管道也朝着大管径、高压力方向发展,这对气液两相流研究提出了新的要求。本文采用计算流体力学方法,使用建模软件Spaceclaim建立了倾角为2°,内径为155.7 mm,长度为5.57 m的倾斜管道三维模型,使用ICEM对模型进行了网格划分,使用CFD软件ANSYS Fluent进行稳态计算,分析了气、液相表观流速以及压力倾斜管低含液气液两相流压力梯度和持液率的影响,探索了工况范围内流型的转换。结果显示:本文工况范围内的气液两相流流动型态主要分布在分层流和环状流区域。选取了Beggs-Brill模型、Mukherjee-Brill模型和ARS模型进行模型的对比分析,对三种模型的适用范围、工况条件进行了讨论,结果显示:三种模型对压力梯度的预测均方根误差大部分数据点在±20%以内,Beggs-Brill关联式对管内压力梯度的预测计算精确度较优于Mukherjee-Brill关联式和ARS模型。ARS模型对持液率的预测计算误差在±10%以内。本文建立了数值模型,在一个较为宽广的范围内对倾斜管低含液气液两相流流动特性进行了研究,探索了机理模型的适用性,为针对倾斜管低含液气液两相流的研究提供了数据参考,具有实际应用意义。

关键词：倾斜管低含液数值模拟大管径高压力

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倾斜管内有机工质分液冷凝特性研究

倾斜管内有机工质分液冷凝特性研究

作者：王大维哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

能源技术的进步需要有机工质在冷凝过程中高效换热,因此对于常规尺度通道内有机工质冷凝换热的机理研究以及强化传热技术的研发一直是能源技术领域的重点研究课题之一。本文针对有机工质R245fa在倾斜管内冷凝换热研究的不足,自主设计并... 详细信息

能源技术的进步需要有机工质在冷凝过程中高效换热,因此对于常规尺度通道内有机工质冷凝换热的机理研究以及强化传热技术的研发一直是能源技术领域的重点研究课题之一。本文针对有机工质R245fa在倾斜管内冷凝换热研究的不足,自主设计并搭建了有机工质流动冷凝试验台,基于海底热液有机朗肯循环发电系统运行参数开展了倾斜管内R245fa流动冷凝和联箱分液冷凝相变传热的试验研究和数值模拟研究。流动冷凝的试验结果表明:倾斜角度增加时光滑分层流逐渐消失且分层流的区域不断减小。冷凝总压降随质量流速增加呈现非线性增加趋势,质量流速小于200kg/m·s时各个入口干度条件下总压降值接近;小于临界干度时总压降增加缓慢,超过临界干度后总压降增加迅速;总压降随倾斜角度的增加没有明显变化。平均冷凝换热系数随质量流速增加而增大并在低质量流速时增加更快;入口干度增加时平均冷凝换热系数增大,不同干度条件下平均冷凝换热系数的变化率具有较大差异;平均冷凝换热系数随着倾斜角度增加先增大后减小,倾斜角度15.1°时平均冷凝换热系数具有极大值。分液冷凝试验中采用单孔联箱分液,依据分液孔位置和孔径的不同分为4种结构。试验结果表明:相同结构下联箱内的气液分离状态受到入口条件影响,入口干度小于0.5时存在较为稳定的漏液速率能够实现有效分液,入口干度进一步提高后漏液速率剧烈波动直至气相击穿,分离效率随着入口干度的增加先增大后减小,入口干度为0.11时分离效率最大为97.0%。联箱内的积液高度取决于漏液速率的大小,漏液速率增大时积液高度增加。结构改变对分离特性的影响规律是分液孔靠近出口支管时漏液速率增加,靠近入口支管时漏液速率减少,联箱倾斜15°放置后积液高度上升同时漏液速率降低。分液效率降低时管内平均干度减小,联箱分液对于强化管内冷凝换热效果的作用也随之减弱。倾斜管内冷凝的数值模拟研究中采用SST K-omega湍流模型、VOF多项流模型和Lee冷凝相变传质模型。冷凝传热系数的数值模拟结果与实验值相差在7.9%～13.5%。数值模拟结果表明:靠近壁面处时温度梯度较大,液膜厚度随着质量流速的增加而减小;冷凝换热系数随着质量流速的增加而增大,随着换热温差的增加而增大,随着倾斜角度的绝对值增加先增加后减小;倾斜角度变化时,冷凝换热系数以0°为界呈现先增加后减小的正弦变化趋势,在±15°时出现极大值。

关键词：冷凝换热分液冷凝倾斜管试验研究

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倾斜管内气液两相流流型的实验研究

核动力工程 2005年第6期26卷 577-580页

作者：曹夏昕阎昌琪哈尔滨工程大学 150001

对空气-水形成的两相流同向通过管径15mm、管长6m,倾斜角为15°和30°两种不同的倾斜角有机玻璃管的流型进行了实验研究。通过可视化观察和压差波动特性对流型进行分类,结合实验数据绘制出不同倾角下的流型图。另外,通过与相同管径下的... 详细信息

对空气-水形成的两相流同向通过管径15mm、管长6m,倾斜角为15°和30°两种不同的倾斜角有机玻璃管的流型进行了实验研究。通过可视化观察和压差波动特性对流型进行分类,结合实验数据绘制出不同倾角下的流型图。另外,通过与相同管径下的水平管流型图进行对比以及不同倾角下流型产生范围的比较,发现试验段倾角对流型区间有显著的影响。

关键词：两相流流型图倾斜管实验研究倾斜管内气液

倾斜管中低温气液两相流弹状气泡生成位置的实验研究

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上海交通大学学报 2012年第2期46卷 306-311页

作者：胡学羽刘亦鹏王平阳王经上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

为研究倾斜管内低温气液两相流中弹状气泡初始生成位置的分布规律,采用高速相机对以液氮为工质的6种竖直倾角和4种内径下的管内弹状流进行了可视化实验,并对管路漏热进行了详细考察.实验结果表明,弹状气泡平均初始生成位置随管径的增大... 详细信息

为研究倾斜管内低温气液两相流中弹状气泡初始生成位置的分布规律,采用高速相机对以液氮为工质的6种竖直倾角和4种内径下的管内弹状流进行了可视化实验,并对管路漏热进行了详细考察.实验结果表明,弹状气泡平均初始生成位置随管径的增大而增大,随倾角的增大先增大后减小;弹状气泡初始生成位置分布的离散程度随倾角增大而增大,在倾角为20°~45°时达到最大值,之后,其分布变为集中;竖直管路内弹状气泡初始生成位置离散程度随管径增加而减小.

关键词：低温气液两相流倾斜管弹状气泡初始生成位置

倾斜管内液泛前后液膜波动特性的CFD探究(英文)

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Chinese Journal of Chemical Engineering 2015年第9期23卷 1460-1468页

作者：陈建业唐媛张伟王宇辰邱利民张小斌 Institute of Refrigeration and Cryogenics Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic of Zhejiang Province Zhejiang University China Aerodynamics Research and Development Center

The complex liquid film behaviors at flooding in an inclined pipe were investigated with computational fluid dynamic(CFD) approaches. The liquid film behaviors included the dynamic wave characteristics before flooding and the transition of flow pattern when flooding happened. The influences of the surface tension and liquid viscosity were specially analyzed. Comparisons of the calculated velocity at the onset of flooding with the available experimental results showed a good agreement. The calculations verify that the fluctuation frequency and the liquid film thickness are almost unaffected by the superficial gas velocity until the flooding is triggered due to the Kelvin–Helmholtz instability. When flooding triggered at the superficial liquid velocity larger than0.15 m·s-1, the interfacial wave developed to slug flow, while it developed to entrainment flow when it was smaller than 0.08 m·s-1. The interfacial waves were more easily torn into tiny droplets with smaller surface tension, eventually evolving into the mist flow. When the liquid viscosity increases, the liquid film has a thicker holdup with more intensive fluctuations, and more likely developed to the slug flow.

关键词：计算流体动力学模拟流动行为液体膜倾斜管计算流体力学方法表面张力表观速度液膜厚度