IMECH-IR  > 流固耦合系统力学重点实验室
气体/液固混合液流变学特性及管流特征研究
Alternative TitleInvestigation on the Rheological Properties and Pipe Flow Characteristics of Gas/Liquid-Solid Mixtures
张栋
Thesis Advisor许晶禹
2019-05-24
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline工程力学
Keyword气体/液固混合液,流变学特性,管道流动,举升特性,表观壁面滑移
Abstract

管道输送是深海油气开采和海底矿产资源开采中常采用的运输方式之一,涉及诸多多相流体力学问题。原油混输管线中的流动多为油、气、水、砂等多介质的混合物,而海底矿产资源的开采常为液固两相混合物,且固相颗粒的尺寸跨度较大。由于多相流动中存在复杂的动量和能量交换,加之混合液的流变学特性,以及分散相粒径分布特征,给混输系统中的流动安全保障带来极大的挑战,亟需发展相应的理论体系进行混输系统的安全及优化设计。

本文通过实验研究和理论分析相结合的方法对气体/液固混合液流变学特性及管流特征进行了系统的研究,主要包括:油砂混合液的流变学特性及流动特征、气体/油砂混合液在垂直及水平管中的流动规律,以及气体/油砂混合液的表观壁面滑移(apparent wall slip)特性等。

首先,基于对多种类型超稠原油的触变性、屈服应力和黏弹性的测试和分析,系统研究了原油的流变学特性和流动特征。研究中将流变仪离线测试数据与管道在线测试数据进行了对比分析,发现了流变仪测试得到的流变学参数可以很好的应用于管道流动参数的预测,进而将低剪切速率下的流变仪测试结果推广到高剪切速率下的管道流动中。此外,揭示了随着温度的升高,原油的损耗模量和屈服应力均表现出指数衰减的规律,同时还表现出明显的黏弹性特征,并且随着剪切力作用频率的增大,原油逐渐从黏性主导转变为弹性主导。

随后,对油砂混合液的流变学特性及管流特征进行了系统的研究,主要包括:含砂原油的流变学特性、油砂(气)混合液管道流动表观壁面滑移特性、水砂混合液举升特性。含砂原油的流变学特性研究中,综合考虑砂子粒径分布及质量浓度对含砂原油触变性、屈服应力和黏弹性的影响。研究发现:向原油中加入少量的细砂,会使原油的黏度减小,起到降黏减阻的作用,但是当含砂量和粒径都增加时,将会导致原油黏度增大;考虑到含砂原油的剪切变稀性质,发现双赫歇尔-巴尔克莱(Dual-Herschel-Bulkley)模型可以描述含砂原油的剪切变稀性质,又可以表征含砂原油在低剪切速率下的流动特征。通过对模型的进一步分析,揭示了屈服应力和稠度系数均随着砂子质量浓度的增大而逐渐增大的规律,并且转子剪切速率为0.01s-1时测试得到的屈服应力与含砂原油真实的屈服应力相近。油砂(气)混合液管道流动表观壁面滑移特性研究中,通过不同管径以及不同壁面粗糙度的管流测试,发现了管壁越光滑越易产生表观壁面滑移现象,并且滑移速度主要受管道壁面相对粗糙度影响;同时随着分散相(气相或者固相)体积含率的增大,滑移速度均先略有增大,然后逐渐减小,最后趋于稳定;对于分散相体积含率较大的两相流动,滑移速度与壁面剪切应力之间逐渐变为线性关系,并发展了预测模型。水砂混合液举升特性研究中,采用四种不同粒径分布的砂样进行实验测试,发现了小粒径砂粒趋于向管壁附近聚集,较大粒径砂粒趋于向管道中心聚集,并给出了离散相在横截面上的分布规律。

最后,对气体/油砂混合液在垂直及水平管中的流动规律进行了研究。气体/油砂混合液垂直管流规律研究中,发现向原油中加入少量的细砂将会使管流压降减小,但是添加大颗粒或者含砂量较高均会使管流压降增大;基于Herringe-Davis模型发展得到了适用于气液两相垂直管流及气体/液固混合液三相垂直管流的摩擦因子预测模型,该模型可以很好的预测气体/液固混合液三相垂直管流中的摩擦因子。气体/油砂混合液水平管道流动研究中,基于Doron液固两相分层流压降模型和Taitel-Barnea气液两相间歇流压降模型,考虑非牛顿流体本构关系,推导得到适用于气体/油砂混合液水平管流的压降计算模型,并将该压降模型进行无量纲化处理,给出了减阻现象发生的判别关系式。通过实验验证该理论模型能够很好的预测底部为固定床上部为间歇流、底部为滑动床上部为间歇流以及完全悬浮间歇流三种流型下的压降。

本文研究揭示了气体/液固混合液流变学特性和管道流动规律,相关研究成果对管道混输系统的安全和优化设计具有重要的参考意义。

Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/79101
Collection流固耦合系统力学重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
张栋. 气体/液固混合液流变学特性及管流特征研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2019.
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