旋流型管壁取样分配器数值模拟和实验研究

论文摘要

随着近现代工业化的飞速发展,气液两相流越来越多的出现在各种领域,尤其是在石油行业,两相流流量的计量是油气田开发开采中不可避免的问题。传统的两相流计量方法由于设备体积庞大、价格昂贵、无法在线测量等缺点,因此两相流的计量一直是制约油气田开发开采最大的瓶颈。在这种情况下,分流分相法由于具有设备体积小、便于加工、测量精度高、能够在线测量和测量结果不受流型影响等特点而备受国内外关注。分流分相法的计量原理是从主流体中分流出小部分两相流体,分流出的这部分流体被称为分流体,分流体经过计量分离器分离成单相流体后分别计量,最后根据分流体与主流体的比例关系便可以计算出主流体各相的流量。取样分配器是分流分相式两相流量计的关键核心部件,因此本文采用数值模拟和实验相结合的方法对旋流型管壁取样分配器的结构进行了优化设计和实验研究。数值模拟采用FLUENT软件,并对旋流型管壁取样分配器的结构(包括旋流叶片的安装位置,新型圆弧形整流器以及取样孔的形状、大小、个数和开孔位置)进行了优化设计,结果表明叶片的安装位置距离整流器入口100mm~125mm,新型圆弧形整流器曲率半径为25mm,取样孔数目为8,孔径为5mm,并且在圆周上均匀分布,且开孔位置距离整流器出口50mm时,取样孔分流效果最佳,能保证取样的均匀性和稳定性。实验研究部分是在中国石油大学(华东)青岛校区油气储运实验室的大型多相流实验环道上完成的,实验过程中采用空气和水作为气液相介质。实验主要研究了气液相分流系数与主管气液相流量之间的关系,分流回路阻力调节、节流元件阻力大小以及流型对气液相分流系数稳定性的影响关系,最后对两相流量的测量值与理论计算值进行了对比分析,得出旋流型管壁取样分配湿气计量装置的液相分流系数基本上稳定在0.1191,气相分流系数与主管液相流量基本上成线性关系,与主管气相流量无关,气液相流量测量的平均误差分别为2.74%和7.67%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 前言
• 1.1 课题的研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 不分离法
• 1.2.2 完全分离法
• 1.2.3 部分分离法
• 1.2.4 分流分相法
• 1.2.5 分配器结构存在的问题
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 分流分相式旋流型管壁取样器分配器的计量原理
• 2.1 分流分相式多相流计量原理
• 2.2 分流系数特性分析
• 2.2.1 液相分流系数特性
• 2.2.2 气相分流系数特性
• 2.3 影响分流系数稳定和大小的因素
• 第三章 旋流型分配器的 FLUENT数值模拟
• 3.1 几何模型的建立
• 3.2 多相流模型的选择
• 3.3 湍流模型的选择
• 3.4 网格单元划分
• 3.5 旋流叶片的模拟计算及结果分析
• 3.6 新型圆弧形整流器曲率半径对流型转化的影响
• 3.7 取样孔结构数值模拟及其优化
• 3.8 取样孔数对分流特性的影响
• 3.8.1 取样孔形状对分流特性的影响
• 3.8.2 取样孔大小对分流特性的影响
• 3.8.3 取样孔大小对分流特性的影响
• 3.8.4 取样孔在圆周上的开孔位置对分流特性的影响
• 3.9 湿气计量装置结构
• 3.10 本章小结
• 第四章 旋流型管壁取样分流分相式两相流量计实验研究
• 4.1 实验流程和主要设备
• 4.1.1 实验流程
• 4.1.2 主要设备
• 4.2 数据采集系统
• 4.2.1 数据采集
• 4.2.2 Labview 处理软件
• 4.2.3 数据采集系统的设计
• 4.3 实验介质参数
• 4.3.1 空气的物性参数
• 4.3.2 水的物性参数
• 4.4 实验方案与步骤
• 4.4.1 实验方案
• 4.4.2 实验内容
• 4.5 实验结果分析
• 4.5.1 形成均匀环状流的条件
• 4.5.2 分流系数实验结果分析
• 4.5.3 分流回路阻力大小对分流系数的影响
• 4.5.4 节流元件阻力大小对分流系数的影响
• 4.5.5 流型对取样特性影响
• 4.5.6 主管气相和液相流量的测量精度和误差
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的学术成果
• 致谢