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段塞流作用下海底悬跨管道涡激振动特性分析

振动与冲击 2022年第6期41卷 37-43,146页

作者：李效民李胜顾洪禄郭海燕中国海洋大学工程学院山东青岛266100

对海底悬跨管道在段塞流和涡激振动(VIV)耦合作用下的动力响应进行了数值模拟。基于向量式有限元(VFIFE)法考虑内部段塞流动,结合尾流振子模型建立了海底悬跨管道涡激振动分析模型,研究了不同Taylor气泡或液塞平移速度(v_(T)=3~5 m/s)... 详细信息

对海底悬跨管道在段塞流和涡激振动(VIV)耦合作用下的动力响应进行了数值模拟。基于向量式有限元(VFIFE)法考虑内部段塞流动,结合尾流振子模型建立了海底悬跨管道涡激振动分析模型,研究了不同Taylor气泡或液塞平移速度(v_(T)=3~5 m/s)、不同液塞长度(L_(S)=15 D~45D)下悬跨管道的横向振动特性。结果表明:海底悬跨管道涡激振动的锁振区间受段塞流作用的影响有向后延展的趋势;Taylor气泡平移速度的增加、液塞长度的减小会显著增加锁振区间;液塞长度的增长将会增大管道振动响应幅值。

关键词：悬跨管道段塞流涡激振动(VIV) 向量式有限元(VFIFE)法

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段塞流中砂粒冲蚀弯管研究

石油机械 2022年第4期50卷 146-152页

作者：单五一王宇哲孙雨飞东北石油大学石油工程学院中国石油新疆油田公司采气一厂大庆油田有限责任公司第三采油厂

气液混输是油气集输过程中常用的方式,但目前关于气液两相流携砂冲蚀的研究很少。为研究段塞流中砂粒对弯管的冲蚀磨损规律,采用CFD方法建立了弯管冲蚀模型,并对模型进行了网格无关性验证,分析了不同气、液表观流速和曲率半径对弯管冲... 详细信息

气液混输是油气集输过程中常用的方式,但目前关于气液两相流携砂冲蚀的研究很少。为研究段塞流中砂粒对弯管的冲蚀磨损规律,采用CFD方法建立了弯管冲蚀模型,并对模型进行了网格无关性验证,分析了不同气、液表观流速和曲率半径对弯管冲蚀速率、冲蚀位置及寿命的影响。分析结果表明:段塞流下弯管的冲蚀磨损破坏主要在外拱壁面,导致外拱壁面壁厚减薄,容易造成弯管失效,产生泄漏等事故;随着气体表观速度和液体表观速度增大,弯管的最大冲蚀速率增大,寿命缩短,因此要尽量减小气体和液体流量,以降低弯管冲蚀速率;随着弯管曲率半径增大,最大冲蚀速率减小,寿命延长,弯管曲率半径从1.5D增大到6.0D时,最大冲蚀速率减小50%;在弯管曲率半径为1.5D时,冲蚀最严重位置在弯管段出口处的外拱壁面。所得结果可为油气集输管道的结构改进及寿命评估提供参考。

关键词：弯管冲蚀段塞流固体砂粒表观速度曲率半径

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段塞流诱导水平U型管振动数值仿真研究

舰船科学技术 2023年第21期45卷 54-59页

作者：李琳依夏利娟张宇祥上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 高新船舶与深海开发装备协同创新中心上海200240

基于计算流体力学和计算结构动力学方法,对气液两相流诱导水平U型管振动进行数值仿真研究。对比分析气液两相流典型流型,重点研究了段塞流工况下流体动态激励特性和管道振动响应特性。结果表明:段塞流是振动最强烈的流型;在气相折算速... 详细信息

基于计算流体力学和计算结构动力学方法,对气液两相流诱导水平U型管振动进行数值仿真研究。对比分析气液两相流典型流型,重点研究了段塞流工况下流体动态激励特性和管道振动响应特性。结果表明:段塞流是振动最强烈的流型;在气相折算速度不变的情况下,随着液相折算速度的增大,段塞速度和段塞频率增大,段塞长度减小;水平U型管两弯头的振动响应基本对称;段塞频率、流体激励力、管道模态以及振动响应之间相互关联。本研究可为气液两相流流固耦合振动数值仿真提供参考。

关键词：水平U型管气液两相流段塞流流激振动流固耦合

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中国石油气举试验基地多相流研究室中国石油吐哈气举技术中心长江大学油气钻采工程湖北省重点实验室中国石油渤海钻探工程公司中国石油华北油田分公司

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

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稳态段塞流对钢悬链立管动态响应的影响分析

哈尔滨工程大学学报 2021年第11期42卷 1573-1579页

作者：刘德鹏艾尚茂孙丽萍贾鲁生哈尔滨工程大学船舶工程学院黑龙江哈尔滨150001 中海油研究总院有限责任公司工程研究设计院北京100028

海洋立管内部稳态段塞流不均匀质量分布产生的瞬态激励会引起立管结构振动。为利用非线性时域分析方法预测段塞流引起的立管响应,本文结合绝对节点坐标法与任意拉格朗日-欧拉描述,建立了一种立管结构-段塞流耦合的有限元分析模型。该方... 详细信息

海洋立管内部稳态段塞流不均匀质量分布产生的瞬态激励会引起立管结构振动。为利用非线性时域分析方法预测段塞流引起的立管响应,本文结合绝对节点坐标法与任意拉格朗日-欧拉描述,建立了一种立管结构-段塞流耦合的有限元分析模型。该方法能够准确模拟段塞流质量不均匀分布和立管几何非线性,同时避免了复杂的坐标转换。以具有内部流动的钢悬链立管为例,分析了稳态段塞流的影响。结果表明:相比均匀流,段塞流能引起更大的立管局部变形;段塞长度对触底段弯矩变化影响显著。

关键词：绝对节点坐标法任意拉格朗日-欧拉钢悬链立管段塞流有限元法动态响应力学模型参数分析

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段塞流输流直管的振动特性与稳定性分析

段塞流输流直管的振动特性与稳定性分析

作者：吴明明西南交通大学

学位级别：硕士

输流管道作为流体运输的载体之一,广泛应用于油气开采和核反应堆等工程领域中。与单相流相比,两相段塞流有着更为复杂的流动形态,当段塞流输流管道因流致振动而出现动力学失稳时,将会对相关设备的安全运行产生重要影响。因此,对两相段... 详细信息

输流管道作为流体运输的载体之一,广泛应用于油气开采和核反应堆等工程领域中。与单相流相比,两相段塞流有着更为复杂的流动形态,当段塞流输流管道因流致振动而出现动力学失稳时,将会对相关设备的安全运行产生重要影响。因此,对两相段塞流输流管道的动力学特性以及稳定性的研究具有重要的学术意义与应用价值。本文的主要研究内容和结论如下:(1)基于Euler-Bernoulli梁的理论模型,并考虑段塞流气、液两相间歇分布和周期运动的特点,建立段塞流输流直管的运动微分方程。采用伽辽金法对上述方程进行离散,通过求解广义特征值方程获得管道系统的振动特性参数。数值结果表明:管道系统的固有频率是随时间周期变化的,且周期大小依赖于段塞单元长度和两相流流速。(2)通过线性定常系统的稳定性理论以及系统特征值实虚部的均方根预测管道的失稳临界流速。基于弗洛凯理论,在临界流速的预测值附近寻找系统真实的失稳临界流速;采用模态叠加法计算管道的动力学响应,依据响应幅值的变化趋势确定管道的失稳形式。结果表明:两端简支边界条件下管道会以一阶模态屈曲的形式失稳,悬臂边界条件下管道会以二阶模态颤振的形式失稳。(3)通过一系列参数分析发现:液体密度、液塞长度、液塞区持液率以及管道长度的增大均会导致系统固有频率和失稳临界流速的降低;在液塞长度与气塞长度相等的条件下,段塞单元长度的变化对系统固有频率和失稳临界流速影响较小;两端简支边界下管道的失稳临界流速要小于悬臂边界下的情形。(4)在段塞流管道系统中引入端部随从力和分布随从力,分析两端简支边界下输流直管的稳定性,确定管道系统中两类随从力的临界值,探究两类随从力对管道固有频率和失稳临界流速的影响。结果表明:两类随从力均会导致系统固有频率和失稳临界流速的降低,并且临界流速随着随从力的增大而降低的速度越来越快。

关键词：段塞流伽辽金法有限单元法弗洛凯理论周期时变系统稳定性

基于段塞流捕捉的高黏油气两相流模型的建立与验证

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化工进展 2019年第8期38卷 3640-3649页

作者：李爽李玉星王冬旭王权中国石油大学(华东)山东省油气储运安全省级重点实验室山东青岛266580 中国市政工程中南设计研究总院有限公司湖北武汉430060

随着传统油田的快速消耗,高黏稠油的开发逐渐引起了重视。有关高黏油的气液两相流研究主要集中在国外,国内的相关研究目前还较少。本文针对高黏油气混输管路,建立了一种捕捉段塞流的形成和发展过程,并进行两相流水力计算和液塞长度统计... 详细信息

随着传统油田的快速消耗,高黏稠油的开发逐渐引起了重视。有关高黏油的气液两相流研究主要集中在国外,国内的相关研究目前还较少。本文针对高黏油气混输管路,建立了一种捕捉段塞流的形成和发展过程,并进行两相流水力计算和液塞长度统计的组合模型。通过气液相间滑移速度和液相连续性方程的求解得到管路中不同时刻和位置的持液率,以持液率的变化反映段塞的形成和发展。建立气液动量守恒方程关联持液率和压力,得到管路中各位置的压力变化。闭合关系式中,通过液塞平移速度、壁面及气液相界面的剪切力关系式加入黏度的影响,最终建立适用于高黏油气两相流的段塞捕捉模型。使用不同来源的数据验证模型计算压降和液塞长度的准确性,数据分别来源于国外研究者的实验数据和大庆油田的现场数据。结果表明,模型具有较高的计算精度,大部分压降误差在±15%以内,大部分液塞长度误差在±20%以内。

关键词：气液两相流高黏油模型段塞流水力计算

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基于行波法的段塞流瞬态捕捉模型建立与验证

化工进展 2020年第8期39卷 2998-3006页

作者：王冬旭胡其会李玉星李爽王权中国石油大学(华东) 山东省油气储运安全省级重点实验室山东青岛266580 中国市政工程中南设计研究总院有限公司湖北武汉430060

气液两相流中,准确预测段塞流的特征参数具有重要的现实意义。Renault模型是基于非黏性KelvinHelmholtz(IKH)稳定性准则与黏性Kelvin-Helmholtz (VKH)稳定性准则建立的能够捕捉段塞前后界面运动的双流体模型,但该模型在液相单元格之间采... 详细信息

气液两相流中,准确预测段塞流的特征参数具有重要的现实意义。Renault模型是基于非黏性KelvinHelmholtz(IKH)稳定性准则与黏性Kelvin-Helmholtz (VKH)稳定性准则建立的能够捕捉段塞前后界面运动的双流体模型,但该模型在液相单元格之间采用Riemann精确解,求解速度较慢。为简化计算,本文将行波法引入到Renault模型的液相方程求解过程,并对可能出现的干区用薄液膜代替,使行波法适用于所有计算单元,在保证模型精度的条件下,极大地提高了计算速度,运算时间相比Renault模型平均减少28%。对比本模型计算结果与室内小型环道实验数据,持液率与实测结果相一致,压降、段塞长度计算相对误差分别在25%、30%以内,且主要分布在20%以内。说明本文改进的瞬态段塞流模型具备运算快速、计算精度较高的特点,具有一定的工程应用价值。

关键词：气液两相流模型行波法段塞流水力计算

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输油管道气液两相段塞流数值分析

江苏科技大学学报（自然科学版） 2023年第3期37卷 12-17页

作者：王庆丰袁鹏陈林烽徐海涛徐骁江苏科技大学船舶与海洋工程学院镇江212100

输油管线中,气液流量较小时,管内流动为分层流流型.在流量增大时,分层流上有限波浪的增长会导致两种流型出现,即段塞流和伪段塞流.而当气相速度较高时,伪段塞流的双重特征会导致段塞流识别上困难.文中运用计算流体力学软件Fluent对输油... 详细信息

输油管线中,气液流量较小时,管内流动为分层流流型.在流量增大时,分层流上有限波浪的增长会导致两种流型出现,即段塞流和伪段塞流.而当气相速度较高时,伪段塞流的双重特征会导致段塞流识别上困难.文中运用计算流体力学软件Fluent对输油管路内不同流速的多相流进行仿真模拟,并结合管道截面气液分布、流体压力脉动、压力信号的振幅和功率谱密度函数特征去辨别管内流动为段塞流或伪段塞流.根据监测所得的管道截面气液分布,可以较直观辨别两种流型发展中的特征,根据压力脉动图,段塞流在压力上升后会出现典型的冠状突起,但伪段塞流只是液层瞬态上跃触及管顶,无法充分且持续地堵塞管道,故无冠状压力脉动特征,压力振幅也较小,再根据PSD特征的分析,进一步揭示了段塞流与伪段塞流的波动特性.

关键词：气液两相流段塞流伪段塞流 CFD 流型识别