水平管段塞流特性及參數(shù)研究方法討論

曹沙沙，李施放，唐 琪，羅曉坤

（1.西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065；2.中石油塔里木油田公司，新疆 841000；3.中石油新疆油田公司，新疆 834000）

在常規(guī)生產(chǎn)中的水平管路中的流型大體上可分為：分層流、環(huán)狀流、氣泡流和本文的重點(diǎn)研究對(duì)象段塞流。段塞流本質(zhì)上可以理解為是氣柱和液柱交替向前流動(dòng)的一種流型，在水平管路中段塞流形成的原因是因?yàn)楸緛矸謱恿鲃?dòng)的氣相和液相在達(dá)到平衡以后由于氣相液相的流動(dòng)特性不同，穩(wěn)定被破壞，氣相不斷地對(duì)液相進(jìn)行吹掃擾動(dòng)了氣液兩相的邊界形成了波浪流，形象地講就像風(fēng)與浪的關(guān)系，風(fēng)不斷掠過海平面而形成了浪，當(dāng)浪高足以填充管路的時(shí)候便形成液塞，也就形成了段塞流。在了解了當(dāng)前的研究成果以后我們發(fā)現(xiàn)描述段塞流流動(dòng)的參數(shù)主要為液塞的長(zhǎng)度、速度和頻率，此外各部分的截面含氣率以及氣泡的速度等也都是要考慮的。

1 數(shù)值模擬

數(shù)值模擬是隨著信息時(shí)代到來應(yīng)運(yùn)而生的一種有效的科研手段，目前可以說是所有理工類學(xué)科的背后都有數(shù)值模擬在支撐。本文的重點(diǎn)研究對(duì)象在大方向上可以歸為以計(jì)算流體力學(xué)動(dòng)力學(xué)分析為理論基礎(chǔ)的多相流流動(dòng)特性及參數(shù)研究。

以目前行業(yè)內(nèi)比較熱門的數(shù)值模擬軟件FLUENT 的基本操作步驟為例，首先我們要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)水平管路的幾何模型然后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，在加密網(wǎng)格驗(yàn)證網(wǎng)格無關(guān)性以后就可以設(shè)置求解器及操作條件了，根據(jù)我們的研究對(duì)象段塞流進(jìn)行物理模型的設(shè)定以后還需要根據(jù)材料性質(zhì)設(shè)定邊界條件。以上操作完備以后就可以用計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的計(jì)算了，這時(shí)我們可以監(jiān)視求解過程并進(jìn)行求解設(shè)置。整個(gè)過程環(huán)環(huán)相扣，等待運(yùn)算完成以后我們可以直觀地看到許多平時(shí)的實(shí)驗(yàn)難以監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。操作框圖如圖1。

圖1 數(shù)值模擬操作步驟

2 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)研究一直以來都是一種比較有說服力的研究方法，自然科學(xué)的建立可以說是離不開實(shí)驗(yàn)研究的，但是隨著時(shí)代的發(fā)展，人們認(rèn)知這個(gè)世界廣度變大的同時(shí)也對(duì)事物產(chǎn)生了更深的認(rèn)知，因此一些現(xiàn)代的學(xué)科很難再用實(shí)驗(yàn)來完美的論證，段塞流就是這樣，它的不穩(wěn)定性讓實(shí)驗(yàn)人員難以在實(shí)驗(yàn)室中將它穩(wěn)定地締造出來，因此對(duì)于這一課題實(shí)驗(yàn)人員只能采用最常用的流量平均值法來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定，在這個(gè)過程中液塞的長(zhǎng)度、速度、頻率、持液率以及單元長(zhǎng)度可以被穩(wěn)定描述。

按照傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作流程，首先我們要確定用于實(shí)驗(yàn)測(cè)量的裝置、實(shí)驗(yàn)操作過程中的工況參數(shù)還要確保能夠順利采集我們需要的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。整個(gè)準(zhǔn)備工作好了以后就可以開始搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并熟悉整個(gè)操作流程，此外保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)的安全永遠(yuǎn)是第一位的，按照事先預(yù)定好的流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并采集數(shù)據(jù)，最終整理好實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就可以依照現(xiàn)有的理論或公式對(duì)我們想要觀測(cè)的參數(shù)進(jìn)行處理了。圖2 所示便是傳統(tǒng)意義上的實(shí)驗(yàn)操作流程，同樣適用于水平管路中段塞流特性的研究。

圖2 實(shí)驗(yàn)研究操作步驟

3 總結(jié)

無論是哪種研究方法都會(huì)有自身的長(zhǎng)處和短板，許多科研人員為了強(qiáng)調(diào)科學(xué)研究的科學(xué)性是會(huì)從多個(gè)維度尋找證據(jù)來佐證自己整個(gè)科研成果是可信的，在段塞流這一不穩(wěn)定的流型身上我們值得做更多工作來為石油行業(yè)的進(jìn)展做出貢獻(xiàn)。

單就數(shù)值模擬這一方面來看，節(jié)省了多方面成本這一優(yōu)勢(shì)是顯而易見的，我們只需要準(zhǔn)確地輸入我們預(yù)設(shè)的各項(xiàng)條件，其余全部由計(jì)算機(jī)代勞，而且整個(gè)過程以目前的技術(shù)來看我們是可以全程監(jiān)視求解過程的，這在一定程度上增加了我們數(shù)值模擬的說服力。但是數(shù)值模擬的不足其實(shí)也在于說服力，從某種意義上來講終歸是一紙空談，在沒有實(shí)際模型的背景下很難完美地用數(shù)據(jù)來認(rèn)定成果是無誤的，而且數(shù)值模擬最大的困難是模擬軟件的完成，這需要前期大量的投入，而且數(shù)值模擬軟件的操作難度相對(duì)來說并不是很小，需要系統(tǒng)的學(xué)習(xí)和深入的理解，中間一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題后整個(gè)模擬都會(huì)宣告失敗，而且尋找紕漏也不是一個(gè)容易的過程。

而另一方面的實(shí)驗(yàn)研究，顯然實(shí)驗(yàn)設(shè)備的高投入是必然的，而且操作過程繁瑣，尤其是對(duì)于水平管路段塞流這種難以監(jiān)測(cè)的不穩(wěn)定流型就更加難以求得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，但是實(shí)驗(yàn)法用于水平管路段塞流分析的優(yōu)勢(shì)在于水平管路最容易實(shí)現(xiàn)，而且在空間允許的情況下完成的實(shí)驗(yàn)從某種程度上是可以代替實(shí)際生產(chǎn)的模型來完成模擬。