彎曲柔性立管舉升氣液兩相流時(shí)的流固耦合效應(yīng)研究

高 岳，朱紅鈞, 2，王珂楠，顏知音，胡 潔

(1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500; 2. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350; 3. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300452; 4. 中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠，重慶 400021)

隨著海洋油氣混輸工藝的發(fā)展，氣液兩相流通常以混輸?shù)男问捷斔椭两K端平臺(tái)，因地形起伏或流量變化，管內(nèi)出現(xiàn)不同流型的氣液兩相流。管內(nèi)流體密度、壓力等參數(shù)沿立管時(shí)空變化，導(dǎo)致立管產(chǎn)生振動(dòng)。同時(shí)，立管振動(dòng)反作用于管內(nèi)流體，使氣液兩相流動(dòng)態(tài)演變，這種流固耦合響應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇立管的振動(dòng)，使海洋立管產(chǎn)生疲勞損傷甚至引發(fā)油氣泄漏，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，開展氣液兩相流與海洋立管的流固耦合特性研究，對(duì)海洋立管的疲勞損傷和壽命預(yù)測(cè)具有重要的意義。

海洋立管流致振動(dòng)尤其是外流渦激振動(dòng)一直是海洋油氣開采過(guò)程中的熱點(diǎn)問(wèn)題，隨著輸送壓力和流速的增大，內(nèi)流誘導(dǎo)的立管振動(dòng)問(wèn)題也逐漸引起了人們的重視。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面開展了大量的研究。其中，Yin與Griffith[1]最早開展了兩相流流致振動(dòng)試驗(yàn)研究，分析了非定常動(dòng)量通量對(duì)U形管的影響，發(fā)現(xiàn)氣液兩相流的密度差是影響動(dòng)量變化的主要因素。Hara與Yamashita[2]以空氣和水為介質(zhì)開展了氣液兩相流誘導(dǎo)管道振動(dòng)的試驗(yàn)研究，將管道振動(dòng)的原因歸結(jié)為氣液兩相流密度的變化，與Yin和Griffith[1]的研究結(jié)果一致。Riverin和Pettigrew[3]研究了U形管在氣液兩相流作用下的振動(dòng)響應(yīng)，得出氣液流動(dòng)引起的共振是產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的原因。Ortiz-Vidal等[4]對(duì)比分析了泡狀流、分散流及段塞流等不同流型的氣液兩相流誘導(dǎo)的管道振動(dòng)特性。Wang等[5]通過(guò)建立流固耦合模型，分析了嚴(yán)重段塞流誘導(dǎo)水平管—立管系統(tǒng)振動(dòng)的機(jī)理，得出管道振動(dòng)響應(yīng)與嚴(yán)重段塞流的周期性有關(guān)。Ma和Srinil[6-7]通過(guò)建立二維數(shù)值模型研究了段塞流誘導(dǎo)的彎曲柔性立管的振動(dòng)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)立管的多模態(tài)振動(dòng)響應(yīng)與多頻的段塞流動(dòng)密切相關(guān)。Zhu等[8-10]研究了不同流速、氣液比的水動(dòng)力段塞流作用下懸鏈線型柔性立管的振動(dòng)響應(yīng)，分析了柔性立管平面內(nèi)振動(dòng)中出現(xiàn)的模態(tài)切換現(xiàn)象。李焱等[11]總結(jié)了氣液兩相流引起的海底管道流致振動(dòng)問(wèn)題，指出管道疲勞破壞演化過(guò)程及規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。謝超[12]運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)比分析了氣液兩相流激發(fā)立管振動(dòng)的單、雙向流固耦合振動(dòng)結(jié)果，得出單向耦合下立管的最大變形量和最大有效應(yīng)力均大于雙向耦合的結(jié)果。許超洋[13]試驗(yàn)分析了氣液混輸管道的振動(dòng)幅度、管壁穩(wěn)定性、沖擊載荷等響應(yīng)特性。馬曉旭等[14]試驗(yàn)研究了不同流型氣液兩相流誘導(dǎo)的U形管振動(dòng)響應(yīng)特性，分析了氣體表觀流速和液體表觀流速對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響。但這些研究大多只關(guān)注了氣液兩相流對(duì)管道振動(dòng)的影響，鮮少分析管道振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流動(dòng)特性及流型變化的影響。周云龍等[15]試驗(yàn)研究了起伏振動(dòng)狀態(tài)下水平管內(nèi)兩相流的流動(dòng)變化，通過(guò)對(duì)氣液兩相流壓差波動(dòng)的分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)下出現(xiàn)了特有的泡狀流及沸騰波狀流。Jia[16]利用CFD三維數(shù)值模擬方法分析了段塞的形成和衰減變化，研究表明長(zhǎng)段塞和大流量會(huì)增強(qiáng)管道振動(dòng)，同時(shí)振動(dòng)也會(huì)對(duì)段塞的形成產(chǎn)生影響。Hibiki和Ishii[17]發(fā)現(xiàn)管道的振動(dòng)會(huì)對(duì)管內(nèi)泡狀流的流動(dòng)特性產(chǎn)生影響，但這種影響不足以改變泡狀流的流型。曹夏昕[18]、方紅宇[19]、欒鋒等[20]、張金紅[21]等利用振動(dòng)臺(tái)研究了搖擺振動(dòng)對(duì)豎直管、水平管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的影響，分析了振動(dòng)對(duì)管內(nèi)單相流的摩擦壓降及氣液兩相流的流型、流型轉(zhuǎn)變界限、界面含氣率以及摩擦壓降等參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)會(huì)使管內(nèi)氣液兩相流產(chǎn)生附加慣性摩擦力，增大管內(nèi)的摩擦壓降，并且通過(guò)對(duì)振動(dòng)狀態(tài)下流型轉(zhuǎn)變機(jī)理的分析，給出了各流型之間的轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則關(guān)系式。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者或研究了氣液兩相流動(dòng)激發(fā)的管道振動(dòng)，或研究了剛性管道的振動(dòng)對(duì)管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性的影響，但鮮少同時(shí)考慮氣液兩相流激發(fā)的振動(dòng)及振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流體的影響，缺少對(duì)雙向流固耦合效應(yīng)的深入分析，然而這種復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象在實(shí)際海洋工程中普遍存在，尤其是不穩(wěn)定的氣液兩相流流經(jīng)非線性彎曲的柔性立管時(shí)，易激發(fā)柔性立管產(chǎn)生多階非線性振動(dòng)，這種復(fù)雜的多模態(tài)振動(dòng)又會(huì)影響管內(nèi)的流體流動(dòng)，甚至導(dǎo)致管內(nèi)氣液兩相流型出現(xiàn)時(shí)空動(dòng)態(tài)演變，進(jìn)一步加劇立管的振動(dòng)。因此，下文采用高速攝像非介入測(cè)試方法，研究了柔性立管與管內(nèi)氣液兩相流的流固耦合效應(yīng)，以期為實(shí)際海洋柔性立管的設(shè)計(jì)、維護(hù)及下游設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，試驗(yàn)在氣液兩相流循環(huán)裝置中開展，主要包括內(nèi)流循環(huán)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分。內(nèi)流循環(huán)系統(tǒng)的裝置主要包括：潛水泵、氣泵、氣體浮子流量計(jì)、液體渦輪流量計(jì)、針型閥、T型三通、循環(huán)管路和蓄水箱。液體和氣體分別通過(guò)潛水泵和氣泵泵送，經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后在T型三通混合后進(jìn)入主管路，在2 m長(zhǎng)的水平段充分發(fā)展后流入立管測(cè)試段，最后經(jīng)管路流回蓄水箱循環(huán)使用。其中，測(cè)試立管段在振動(dòng)和固定兩種條件下的正視圖如圖1(b)所示。

圖1 試驗(yàn)布置示意Fig. 1 Schematic of experimental setup

試驗(yàn)中模型立管選用透明的硅膠管，其管長(zhǎng)為1.440 m，外徑10 mm，壁厚1 mm，立管布置的水平跨度l0為1.029 m，兩端固定約束，具體參數(shù)如表1所列。為便于捕捉柔性立管的振動(dòng)位移，沿管長(zhǎng)方向均勻地標(biāo)記了35個(gè)黑色標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)寬度為8 mm，相鄰兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的中心間距為40 mm。為研究固定立管內(nèi)的兩相流動(dòng)特征，將柔性立管整體固定于如圖1(b)所示的垂直平板上，以限制立管的振動(dòng)。

表1 立管模型參數(shù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用非介入高速攝像技術(shù)[8-10]同步捕捉振動(dòng)和流動(dòng)信息，三個(gè)壓力傳感器分別布置在水平段及立管進(jìn)、出口處，同步采集管內(nèi)流動(dòng)壓力信號(hào)，其中高速攝像機(jī)型號(hào)為HXG20，最大像素為2 048×1 088，拍攝頻率為100 f/s(frames per second)。高速攝像機(jī)的布置位置如圖1所示，分別捕捉平面內(nèi)(xoz平面)和平面外(y方向)的振動(dòng)位移。拍攝時(shí)，同步觸發(fā)高速攝像和壓力傳感器以采集立管的振動(dòng)和管內(nèi)的流動(dòng)信息。通過(guò)圖像后處理得到每個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)程曲線，對(duì)100 s時(shí)間段的振幅時(shí)間序列求均方根，從而得到每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)處的均方根振幅，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Ai是i時(shí)刻的瞬時(shí)振幅；N為樣本時(shí)間序列數(shù)，100 s內(nèi)高速攝像記錄了10 000幀圖像，即N=10 000個(gè)樣本數(shù)據(jù)。

對(duì)于柔性立管的進(jìn)出口壓差，其計(jì)算公式如下：

ΔPi=Pin,i-Pout,i

(2)

式中：Pin，i、Pout，i分別為i時(shí)刻柔性立管底部入口與頂部出口處的壓力。

1.2 試驗(yàn)組次

試驗(yàn)中，固定液體流量通過(guò)調(diào)節(jié)閥門改變氣體流量開展了不同流型的氣液兩相流作用下柔性立管與管內(nèi)氣液兩相流的流固耦合響應(yīng)測(cè)試。其中，為捕捉到預(yù)期的泡狀流、段塞流、攪拌流等不同流型，參考了1983年Barnea等[22]在8.15 mm管徑直管中開展氣液兩相流型試驗(yàn)研究時(shí)選用的流速范圍，取液體表觀流速范圍為0.01～1.02 m/s、氣體表觀流速范圍為0.02～6.63 m/s。

1.3 衰減試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)測(cè)試前，首先進(jìn)行了衰減測(cè)試。通過(guò)對(duì)振動(dòng)衰減曲線進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到柔性立管的前兩階自振頻率，其中平面內(nèi)x和z方向的自振頻率相同，充水管的一階自振頻率皆為2.25 Hz，二階自振頻率為3.74 Hz，具體的自振頻率見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 固定立管內(nèi)的流型分區(qū)

以往對(duì)管內(nèi)流型的研究主要針對(duì)垂直、水平以及固定夾角的傾斜管，隨著管道傾角的變化，管內(nèi)的流型會(huì)隨之變化，而試驗(yàn)中柔性立管的曲率是隨立管高度不斷變化的，如圖2所示，試驗(yàn)觀察到的流型主要有：泡狀流(bubbly flow)、泡狀—段塞流(bubbly-slug)、段塞流(slug flow)、段塞—攪拌流(slug-churn)和攪拌流(churn)。所有試驗(yàn)組次的流型分區(qū)如圖3所示，由于管材、管徑及懸鏈線型立管的曲率不斷變化等原因，這里的流型分區(qū)與垂直管[22]及45°傾斜管[23]內(nèi)的流型分區(qū)存在一定的差異，在較小的氣體表觀流速時(shí)出現(xiàn)了垂直管和45°傾斜管中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的氣泡流。

圖2 固定立管內(nèi)出現(xiàn)的不同流型Fig. 2 Flow patterns in the fixed flexible riser

圖3 固定立管中的流型分區(qū)Fig. 3 Flow pattern map in the fixed flexible riser

多尺度熵在流型識(shí)別中應(yīng)用廣泛[15, 24-25]，不同流型的多尺度熵特征可以反映其流動(dòng)特性，對(duì)立管內(nèi)出現(xiàn)的幾種流型的壓差信號(hào)進(jìn)行多尺度熵分析，計(jì)算過(guò)程中容限r(nóng)取序列標(biāo)準(zhǔn)差的0.15倍[26]，維數(shù)m取2，最大粗粒化尺度為15，壓差數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為9 000點(diǎn)。圖4展示了液體表觀流速為0.11 m/s時(shí)不同流型的氣液兩相流作用下立管進(jìn)出口壓差波動(dòng)信號(hào)的多尺度熵計(jì)算結(jié)果。

圖4 不同流型進(jìn)出口壓差的多尺度熵Fig. 4 Multi-scale entropy of pressure difference under different flow regimes

由圖4可知，總體上熵值的大小排序?yàn)椋号轄盍?泡狀—段塞流>段塞—攪拌流>段塞流>攪拌流，泡狀流的壓差信號(hào)最復(fù)雜，攪拌流的壓差信號(hào)復(fù)雜度最低。不同流型的壓差在前4個(gè)尺度上的熵值變化趨勢(shì)相似，隨著尺度地增大熵值逐漸增大，泡狀流的增長(zhǎng)速率較快，其次是泡狀—段塞流、段塞—攪拌流、段塞流、攪拌流。第5個(gè)尺度之后，隨著尺度的增大，熵值變化開始出現(xiàn)差異，表現(xiàn)出起伏變化的趨勢(shì)。由于泡狀流中氣泡很小，在隨液體沿立管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)不規(guī)律，氣泡在液相中的分布具有隨機(jī)性、離散性，其多尺度熵最大，復(fù)雜度最高。泡狀—段塞流具有泡狀流的流動(dòng)特性，且氣泡在流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)合并等現(xiàn)象，因此多尺度熵較大。對(duì)于段塞流，其表現(xiàn)為氣液交替流動(dòng)，周期性明顯，因此流動(dòng)相對(duì)規(guī)律，多尺度熵較小。隨著氣體表觀流速的增大，兩相流動(dòng)受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)，尤其是液塞尾部的潰散，使液體出現(xiàn)上下振蕩的現(xiàn)象，在管壁上形成強(qiáng)烈的沖刷，管內(nèi)流體流動(dòng)變得復(fù)雜、隨機(jī)，使得段塞—攪拌流的多尺度熵較大，但小于泡狀流和泡狀—段塞流。攪拌流流動(dòng)時(shí)，盡管氣液兩相摻混在一起，由于液體含量減少，流體重量的影響減小，使液體上下振蕩的現(xiàn)象減少，流動(dòng)行為趨于穩(wěn)定，因此攪拌流的多尺度熵較小。

2.2 流固耦合響應(yīng)

2.2.1 不同流型氣液兩相流作用下的立管振動(dòng)特性

為研究不同流型氣液兩相流誘導(dǎo)的立管振動(dòng)響應(yīng)，選取液體表觀流速為0.11 m/s，氣體表觀流速?gòu)?.02 m/s 增至6.63 m/s時(shí)的13個(gè)組次進(jìn)行流固耦合分析。圖5比較了不同流型的氣液兩相流作用下柔性立管在平面內(nèi)x、z兩個(gè)方向及平面外y方向的均方根振幅分布。其中，s為沿管軸方向某點(diǎn)距離立管底部的軸向長(zhǎng)度，s/l為沿管軸方向某點(diǎn)距離立管底部的無(wú)量綱軸向長(zhǎng)度，Ax，RMS/D與Az，RMS/D分別為立管在x和z方向的無(wú)量綱均方根振幅。在本試驗(yàn)的氣液流速范圍內(nèi)，與平面內(nèi)x、z兩個(gè)方向上的振動(dòng)相比，平面外y方向的振動(dòng)很小(見(jiàn)圖5(c))，可以忽略，故下文重點(diǎn)分析平面內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)。由圖5可知，不同流型的氣液兩相流作用下柔性立管的振動(dòng)強(qiáng)度不同，但主要為一階模態(tài)振動(dòng)，根據(jù)氣液兩相流誘導(dǎo)的立管振動(dòng)強(qiáng)度從大到小可將流型排序?yàn)椋憾稳獢嚢枇?、段塞流、攪拌流、泡狀—段塞流及泡狀流?/p>

圖5 不同流型氣液兩相流作用下的立管均方根振幅分布Fig. 5 Spanwise evolution of root-mean-squared amplitudes under different gas-liquid flow regimes

圖6 不同流型氣液兩相流作用下立管的最大振幅及管內(nèi)流動(dòng)變化Fig. 6 The maximum root-mean-squared amplitudes and flow variation in the riser under different gas-liquid flow regimes

2.2.2 柔性立管振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響

1) 柔性立管振動(dòng)對(duì)泡狀流和泡狀—段塞流的影響

立管振動(dòng)會(huì)影響管內(nèi)的流動(dòng)，圖7對(duì)比了柔性立管在固定和振動(dòng)情況下管內(nèi)泡狀流和泡狀—段塞流的變化?？梢?jiàn)，兩種情況下，柔性立管內(nèi)的泡狀流、泡狀—段塞流幾乎沒(méi)有變化。如圖8所示，微弱的振動(dòng)對(duì)壓差脈動(dòng)曲線及壓差多尺度熵的影響很小，這主要是因?yàn)閮煞N流型的氣液兩相流作用下柔性立管的振動(dòng)很弱，不足以對(duì)管內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)產(chǎn)生影響。

圖7 固定和振動(dòng)情況下管內(nèi)泡狀流、泡狀—段塞流流型的對(duì)比Fig. 7 Comparison of bubbly flow and bubbly-slug flow in fixed and oscillation risers

圖8 固定和振動(dòng)情況下泡狀流、泡狀—段塞流壓差時(shí)程曲線及多尺度熵Fig. 8 Multi-scale entropy of pressure difference for bubbly flow and bubbly-slug flow in fixed riser and oscillation riser respectively

2) 柔性立管振動(dòng)對(duì)段塞流的影響

圖9展示了柔性立管在vSL=0.11 m/s、vSG=1.77 m/s工況下，相同長(zhǎng)度的液塞通過(guò)固定和振動(dòng)立管時(shí)長(zhǎng)度的變化。如圖9(a)所示，固定立管中，液塞進(jìn)入立管時(shí)長(zhǎng)度為8D，在向上運(yùn)移的過(guò)程中，由于液塞前端吸收管壁上的液膜，長(zhǎng)度增大至12.0D，液塞增長(zhǎng)率為50%。圖9(b)中同樣長(zhǎng)度的液塞進(jìn)入振動(dòng)的柔性立管時(shí)，隨著液塞向上運(yùn)移，其長(zhǎng)度最終穩(wěn)定在8.1D，增長(zhǎng)率僅為1.25%，變化很小。劇烈的振動(dòng)會(huì)使管內(nèi)的液膜分散，影響液塞前端對(duì)液膜的吸收，同時(shí)振動(dòng)使液塞尾部不穩(wěn)定性增強(qiáng)，促使液塞尾部的液體脫落，從而使液塞長(zhǎng)度增加減小。

圖9 固定立管和振動(dòng)立管中液塞長(zhǎng)度的變化Fig. 9 The length variation of liquid slug in fixed riser and oscillation riser respectively

圖10(a)對(duì)比了相同工況下平均液塞長(zhǎng)度在固定和振動(dòng)立管中的變化。由上述振動(dòng)對(duì)管內(nèi)液塞長(zhǎng)度的影響可知，振動(dòng)使管內(nèi)液塞長(zhǎng)度減小，如圖10(a)所示，振動(dòng)立管和固定立管中的平均液塞長(zhǎng)度差值隨氣體表觀流速的增大而增大，這是由于段塞流作用下，氣體表觀流速越大，柔性立管振動(dòng)越劇烈，對(duì)管內(nèi)的液塞長(zhǎng)度影響越大。

圖10 振動(dòng)對(duì)管內(nèi)段塞流流動(dòng)的影響Fig. 10 The effect of oscillation on the flow characteristics of slug flow in flexible riser

圖10(b)為不同氣體表觀流速的段塞流作用時(shí)柔性立管在固定和振動(dòng)兩種情況下段塞運(yùn)移速度的對(duì)比?？梢?jiàn)，振動(dòng)立管內(nèi)的段塞運(yùn)移速度小于固定立管中的段塞運(yùn)移速度，但差值較小，尤其是在氣體表觀流速較小時(shí)，說(shuō)明柔性立管的振動(dòng)對(duì)段塞運(yùn)移速度的影響較小。

與固定立管中的流動(dòng)頻率比較，振動(dòng)立管中的液塞流動(dòng)頻率增大，這與振動(dòng)立管中的液塞長(zhǎng)度比液塞運(yùn)移速度減小更明顯有關(guān)。如圖10(c)所示，0.10 m/s≤vSG<0.33 m/s時(shí)，柔性立管的振動(dòng)較小，液塞長(zhǎng)度和運(yùn)移速度變化不明顯，導(dǎo)致平均液塞流動(dòng)頻率幾乎沒(méi)有變化。0.33 m/s≤vSG≤1.77 m/s時(shí)，氣體表觀流速越大，平均段塞流動(dòng)頻率增大越明顯，這與液塞長(zhǎng)度和運(yùn)移速度的變化有關(guān)。

在流型變化方面，0.10 m/s≤vSG≤1.33 m/s時(shí)，固定立管和振動(dòng)立管中的流型均為段塞流，僅在流動(dòng)參數(shù)上發(fā)生了變化。如圖11(a)所示，vSL=0.11 m/s、vSG=0.99 m/s時(shí)，柔性立管內(nèi)的流型均為段塞流，而vSL=0.11 m/s、vSG=2.21 m/s時(shí)，固定立管中的流型為段塞流，振動(dòng)立管中流型變?yōu)槎稳獢嚢枇?，這與此時(shí)立管振動(dòng)較強(qiáng)，對(duì)管內(nèi)的段塞產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，加速了短液塞的潰散有關(guān)。圖12展示了vSL=0.11 m/s時(shí)vSG=0.99 m/s和vSG=2.21 m/s兩種工況下管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)壓差的變化，從壓差波動(dòng)上可以看出，振動(dòng)使壓差時(shí)程曲線的微小脈動(dòng)增加，且壓差均值減小，這與立管振動(dòng)使管內(nèi)液塞長(zhǎng)度和流動(dòng)速度減小有關(guān)。通過(guò)比較壓差多尺度熵的變化，發(fā)現(xiàn)vSG=0.99 m/s時(shí)前5個(gè)尺度的熵值變化不大，第5個(gè)尺度后，振動(dòng)立管內(nèi)的壓差多尺度熵大于固定立管中的壓差多尺度熵，說(shuō)明雖然管內(nèi)的流型未發(fā)生變化，但振動(dòng)增加了管內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性。vSG=2.21 m/s時(shí)，振動(dòng)情況下的壓差多尺度熵大于固定情況的多尺度熵，這與管內(nèi)流型由段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳獢嚢枇饔嘘P(guān)。

圖11 振動(dòng)對(duì)管內(nèi)段塞流流型的影響Fig. 11 The influence of vibration on the slug flow in flexible riser

圖12 固定和振動(dòng)情況下段塞流壓差時(shí)程曲線及多尺度熵Fig. 12 Multi-scale entropy and time histories of pressure difference of slug flow in fixed riser and oscillation riser respectively

3) 柔性立管振動(dòng)對(duì)段塞—攪拌流及攪拌流的影響

圖13(a)對(duì)比了vSL=0.11 m/s、vSG=4.42 m/s時(shí)，柔性立管在固定和振動(dòng)兩種情況下管內(nèi)的流型變化?？梢?jiàn)，在立管振動(dòng)的情況下，管內(nèi)的流型由固定立管中的段塞—攪拌流變?yōu)閿嚢枇?，這主要是由于段塞—攪拌流作用時(shí)，柔性立管的劇烈振動(dòng)加速了液塞尾部的脫落，使液塞潰散，形成攪拌流。如圖14(a)所示，與固定立管相比，振動(dòng)時(shí)此工況對(duì)應(yīng)的壓差多尺度熵減小，氣液摻混且氣體流量增大，導(dǎo)致管內(nèi)流體受重力影響減小是熵值減小的原因。圖13(b)對(duì)比了vSL=0.11 m/s、vSG=6.63 m/s時(shí)，柔性立管在固定和振動(dòng)兩種情況下管內(nèi)攪拌流的流動(dòng)變化。結(jié)果表明攪拌流在柔性立管固定和振動(dòng)時(shí)流型并沒(méi)有改變，圖14(b)顯示的對(duì)應(yīng)壓差時(shí)程曲線及多尺度熵也沒(méi)有明顯的變化，這與攪拌流氣液混合分布的特性有關(guān)。

圖13 振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流型的影響Fig. 13 The influence of vibration on the gas-liquid two-phase flow in the riser

圖14 固定和振動(dòng)情況下段塞—攪拌流、攪拌流壓差時(shí)程曲線及多尺度熵Fig. 14 Multi-scale entropy and time histories of pressure difference of slug-churn flow and churn flow in fixed riser and oscillation riser respectively

2.2.3 柔性立管的振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流型分區(qū)的影響

為分析柔性立管的振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流型產(chǎn)生的影響，將振動(dòng)柔性立管內(nèi)的流型進(jìn)行分區(qū)并繪制于圖15。

圖15 振動(dòng)立管中的流型分區(qū)Fig. 15 Flow regime map in the oscillation flexible riser

其中，虛線代表固定立管中的流型分區(qū)界限。與固定的柔性立管內(nèi)出現(xiàn)的流型對(duì)比，立管振動(dòng)時(shí)管內(nèi)未出現(xiàn)新的流型，但振動(dòng)使流型分區(qū)界限出現(xiàn)偏移。流速較小時(shí)，由于立管振動(dòng)較弱，未對(duì)泡狀流和泡狀—段塞流流型產(chǎn)生影響，對(duì)應(yīng)的流型分區(qū)界限沒(méi)有發(fā)生偏移。段塞流作用時(shí)，僅在段塞流與段塞—攪拌流交界處出現(xiàn)了流型轉(zhuǎn)變，使段塞流與段塞—攪拌流的分界限向氣體表觀流速較小的方向偏移。在段塞—攪拌流與攪拌流的交界處固定立管中的段塞—攪拌流則在立管振動(dòng)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚢枇?，如前面所述的vSL=0.11 m/s、vSG=4.42 m/s的組次。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用高速攝像非介入測(cè)試技術(shù)，對(duì)管內(nèi)氣液兩相流與柔性立管流固耦合響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：隨著氣液流量的變化，柔性立管中出現(xiàn)了泡狀流、泡狀—段塞流、段塞流、段塞—攪拌流和攪拌流五種流型。對(duì)不同流型氣液兩相流壓差的多尺度熵進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)泡狀流的流動(dòng)最復(fù)雜，攪拌流的流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。不同流型的氣液兩相流激發(fā)的立管振動(dòng)響應(yīng)不同，在段塞—攪拌流作用時(shí)立管的振動(dòng)響應(yīng)最劇烈，泡狀流作用下柔性立管的振動(dòng)較弱。泡狀流、0.10 m/s

本試驗(yàn)采用的是小尺寸的概化模型，旨在分析柔性立管舉升氣液兩相流時(shí)的流固耦合效應(yīng)。下一步將綜合考慮管內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)相似和立管振動(dòng)的結(jié)構(gòu)相似，開展有比尺的模型管道振動(dòng)測(cè)試，以更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。