管道再启动过程中胶凝原油力学响应特性研究

论文摘要

利用管流实验环道装置对启动过程中管内胶凝原油的力学响应特性进行了系统研究，旨在为热含蜡原油管道的安全经济运营提供一定的工程参考作用。论文的主要内容包括：管流启动屈服应力的测量与预测，胶凝原油管道启动波速的性质与求解，基于启动波速理论的胶凝原油管道启动压力与启动时间的计算及基于有限差分法的粘塑性流体输送管道启动压力推进过程研究。（一）胶凝原油管道启动压力推进速度的有限性致使凝油管流启动屈服应力的测量值随测量管段长度的增加而呈减小趋势。文中提出了一种基于最小二乘拟合原理的数据处理方法，求得了测量管长趋于无限短时胶凝原油的启动屈服应力，统一了对特定工况下凝油结构强度的评价标准，并用最小二乘支持向量机对其进行了有效地回归及预测。（二）对胶凝原油管道再启动过程中的压力推进速度进行了分析与研究，揭示了启动波速的性质，并针对不同的粘弹塑性流体输送管道导出了启动波速的计算公式或数值求解方法。胶凝原油管道再启动过程中的压力推进速度主要由启动波速所主导。启动波速一般小于瞬变压力波速，且随传播距离的增长及胶凝结构强度的增加而减小，随启动流量及凝油体积弹/塑性系数的增加而增加。（三）基于启动波理论提出了一种新的胶凝原油管道再启动模型。该模型可用于模拟应用离心泵提供启动能量时胶凝原油管道再启动初始瞬变过程中的压力、流量变化，最终给出成功启动管道所必需的最小压力及相应的启动时间。当使用离心泵提供启动能量时，在胶凝原油管道再启动的初始瞬变过程中，管道沿线的压力会逐渐上升，而压力梯度及管道流量则会逐渐减小，最终成功启动管道所必需的压力远小于按凝油不可压缩理论所得的计算值。在本文的研究范围内，启动管道所必需的最小压力及相应的启动时间将随着管径的增大而减小。（四）基于有限差分方法求解了粘塑性流体输送管道再启动初始瞬变过程中的压力传递现象。结果表明：在初始直接瞬变压力耗尽之前，启动压力前锋的推进速度与瞬变压力波速相同。当初始直接瞬变压力耗尽之后，启动压力前锋的推进速度小于瞬变压力波速，并呈衰减规律，但其衰减速率有逐渐减小的趋势；启动流量越大，启动压力前锋推进速度越大；管内介质结构越强，稠度系数越大，管壁可膨胀性越大，启动压力前锋推进速度越小。当管径逐渐增大时，启动压力前锋推进速度先增大而后减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 创新点摘要
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 胶凝原油的屈服特性
• 1.2.2 胶凝原油的压缩特性
• 1.2.3 胶凝原油的触变特性
• 1.2.4 启动压力的推进速度
• 1.2.5 管道启动模型的建立
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 实验装置与实验方案
• 2.1 实验装置简介
• 2.1.1 实验管路系统
• 2.1.2 水浴循环系统
• 2.1.3 数据采集系统
• 2.2 实验方案
• 第三章 胶凝原油管流启动屈服应力研究
• 3.1 胶凝原油管流启动屈服应力的定义及测算方法
• 3.1.1 胶凝原油管流启动过程分析
• 3.1.2 胶凝原油管流启动屈服应力的定义
• 3.1.3 胶凝原油管流启动屈服应力的测算方法
• 3.1.4 实际算例
• 3.2 应用LS-SVM预测胶凝原油的启动屈服应力
• 3.2.1 最小二乘支持向量机回归原理
• 3.2.2 各影响因素对启动屈服应力的影响效果
• 3.2.3 基于LS-SVM的启动屈服应力预测模型
• 3.3 本章小结
• 第四章 胶凝原油管道启动波速研究
• 4.1 启动波速的定义与性质
• 4.1.1 问题的提出
• 4.1.2 启动波的定义与性质
• 4.1.3 启动波速与瞬变压力波速的联系与区别
• 4.2 启动波速的计算方法
• 4.2.1 基本控制方程
• 4.2.2 无触变性的粘塑性介质输送管道的启动波速
• 4.2.3 胶凝原油管道的启动波速
• 4.2.4 理想流体与牛顿流体管道中的启动波速
• 4.3 胶凝原油管道启动波的传播特性与实验验证
• 4.3.1 启动波速随传播距离/时间的衰减
• 4.3.2 启动波速随阻尼强度的变化
• 4.3.3 启动波速随启动流量的变化
• 4.4 本章小结
• 第五章 胶凝原油管道再启动初始瞬变过程研究
• 5.1 离心泵-管道系统的启动波速
• 5.2 启动模型的建立
• 5.2.1 动量守恒方程
• 5.2.2 质量守恒方程
• 5.2.3 初始条件与边界条件
• 5.2.4 管道流量与管壁剪切速率间的近似关系
• 5.3 模拟计算的结果与分析
• 5.3.1 启动波速的变化规律
• 5.3.2 管道入口流量的变化规律
• 5.3.3 管道沿线压力的变化规律
• 5.3.4 管内凝油结构强度参数的变化规律
• 5.3.5 启动压力与启动时间的变化规律
• 5.3.6 凝油压缩性及管道弹性对启动压力及启动时间的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 粘塑性流体输送管道启动过程数值模拟
• 6.1 启动模型简介
• 6.1.1 控制方程
• 6.1.2 初始条件
• 6.1.3 边界条件
• 6.2 计算结果分析
• 6.2.1 启动压力前锋推进速度的衰减
• 6.2.2 结构强度对启动压力前锋推进速度的影响
• 6.2.3 稠度系数对启动压力前锋推进速度的影响
• 6.2.4 启动流量对启动压力前锋推进速度的影响
• 6.2.5 管道内径对启动压力前锋推进速度的影响
• 6.2.6 管壁膨胀对启动压力前锋推进速度的影响
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 作者简介