IMECH-IR  > 流固耦合系统力学重点实验室
油水两相分散管流的流变学特性及相转化机理研究
Alternative TitleInvestigation on the Rheological Characteristics and the Mechanism of Phase Inversion in Oil-water Two-phase Dispersed Pipe Flows
张健
Thesis Advisor吴应湘 ; 许晶禹
2014
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline工程力学
Abstract伴随海上石油资源的大规模开发,油水混输技术日益得到工业界的重视,该技术能够简化平台及陆上井口的分离和处理设施,使油井产出物无需分离,直接经多相混输管道输送至陆地处理厂进行集中处理。由于含水原油在开采和集输过程中,油相(或水相)常被分割成单独的小液滴,极容易形成油水两相均匀分散流动。这种两相分散流动在集输过程中呈现的流动规律与单相流体不同,且混合液表现为非稳定的状态以及复杂的非牛顿流体的性质,故采用以往单相流体力学的计算方法进行的油气集输管网设计与实际情况偏差较大。因此,深入的研究分散型油水管流是进行集输管网合理设计,特别是运行参数优化计算必不可少的基本依据。本文主要针对油水两相分散流动中混合液的流变学特性、摩擦压降预测和相转化机理开展深入的理论研究,结合对流动介质流变学特性的测量和管流的相似性实验模拟,深入揭示油水两相分散管流的流动特征及规律。 流变学特性研究中,针对管流中非稳态油水混合液开展系统的理论分析和实验研究,综合考虑含油率、剪切速率、乳化剂、温度和搅拌时间等宏观因素对其流变学特性的影响,同时结合显微镜及后续的图像处理和统计理论,对混合液的微观结构进行对比分析。经过非牛顿流体本构关系拟合分析得出,非稳态油水分散混合液一般表现为非牛顿流体的性质,且非牛顿性质的程度可采用幂律指数进行定量分析,其表观黏度随含油率的增加表现为先增加后减小的规律,在连续相相转化点处出现峰值,约为纯油黏度值的5倍,同时,表观黏度受乳化剂、搅拌时间和温度等制备条件影响显著,理论分析中通过微观结构和宏观流变学特性的对比给出了定量的结果,并推导得到了适用于非稳态油水分散体系表观黏度的预测模型。另一方面,深入探索了混合液在相转化区间的黏弹性特征,经过理论分析得出,非稳态油水分散混合液在作用力角频率为20rad/s时,由黏性主导转变为弹性主导。最后,根据原油输运中的启动问题,结合非牛顿流体管流理论,对原油水分散混合液的屈服应力特性进行研究,定量给出了其随含油率、启动速率等宏观因素的变化规律,为管道混输系统的设计提供科学的理论依据。 油水两相分散管流相似性模拟研究中,通过均相流理论模型对管道内两相流动的压降进行分析,得出了层流流动时油水分散混合液的应力-应变率关系以及表观黏度随流动工况的变化规律。在含油率低于0.4时,管道内混合液的应力-应变率曲线与流变仪静态测试结果吻合度较好,即静态流变学研究成果可以用来预测管道流动中两相混合液的流变学特性,但随含油率的升高,油水混合液处于相转化区间,二者之间的微观结构受流动历史和分散体系离线制备的条件的影响比较敏感,得到的应力-应变率曲线等流变学特存在一定的差别。同时,结合对油水混合液微观结构的研究,得出管道流动中混合液的分布情况更接近于高剪切速率下静态流变的测量结果。因此,可以应用高剪切速率下静态测试的流变学研究成果对管流中混合液的表观黏度进行精确的预测,以此对流动中的摩擦压降等参数进行计算,系统解决油水两相分散管流中摩擦压降的预测,为油水两相管流理论的发展和混输系统的工程设计提供可靠的理论基础。 油水两相管流连续相相转化研究中,分别对水平和垂直流动进行了实验观测和理论分析,并结合相转化的外在表征(相分布、粒径)和宏观特性(压降、速度滑移等)进行类比研究。经数据分析得出,油水两相分散流动在相转化点处表现出的摩擦压降特征与分散相的粒径有很大的关系,分散相粒径较小的水平分散管流,其表观黏度在相转化点处达到峰值,因此此时的摩擦压降出现最大值,约为纯油流动时的3倍,而垂直管道内,由于重力的影响,分散相粒径要远大于上述水平分散流动时的粒径,因此更容易在流动过程中发生形变,导致表观黏度变小,摩擦压降出现谷值。此外,经过对油气水三相和油水两相管流数据的对比分析,气相的掺入对油水两相流动中相转化影响较小,相转化点处的含油率值仍为0.8,且相转化点处气液间的速度滑移最大,此时的截面含气率最小,因此,管道截面气相体积含率的变化可以用来确定油水相转化现象的发生,解决管流中相转化预测存在的问题。同时,本文最后综合对油水两相分散流动特征和非稳态油水分散混合液流变学特性的研究成果,对油气水三相管流中的摩擦压降预测进行深入的理论分析,提出了半经验理论模型,经过验证,其对本文90%以上实验数据的预测偏差小于10%。
Call Number31147
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/48932
Collection流固耦合系统力学重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
张健. 油水两相分散管流的流变学特性及相转化机理研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2014.
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