（油气储运工程专业论文）气液两相流管道振动机理研究.pdf

a n a l y s i so fv i b r a t i o nm e c h a n i s mo fp i p e l i n e c o n v e y i n gg a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o w z h a n gq i n ji e ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c a ox u e w e n a b s t r a c t c o l l e g eo fs t o r a g e & t r a n s p o r t a t i o na n da r c h i t e c t u r a le n g i n e e r i n g i nt h i sp a p e r ，m a n yt w o - p h a s ef l o wp i p e l i n ev i b r a t i o ne x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ta t t h el a r g e s c a l em u l t i p h a s ef l o wl o o po fs t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o nd e p a r t m e n ti nc h i n a u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) ，州t hw a t e ra n da i ra sm e d i a s v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n dm e c h a n i s ma b o u ts t r a t i f i e dp i p ef l o w ，b u b b l ef l o w ，a n n u l a rf l o wa n ds l u gf l o wt y p eo f g a s - l i q u i d t w o p h a s ef l o ww e r ea n a l y z e d ，w i t he x p e r i m e n t a ld a m sa n dc o m b i n a t i o no f p r e s s u r e ，p r e s s u r ed r o p ，f l o w ，e ta l f l o wp a r a m e t e r so fp i p e l i n e a n dt h ei n f l u e n c eo f g a s l i q u i df l o wp a r a m e t e r so np i p e l i n ew a sa n a l y s e d t h ei n f l u e n c eo fp r e s s u r ef l u c t u a t i o n a n dg a s l i q u i dp u l s eo fs l u gf l o wo nb e n d i n gp i p ew a sa n a l y s e dd e t a i l e d l y a n dt h ec o n t a c t b e t w e e nt h ep r o p e r t yo ft w o - p h a s ef l o wa n dv i b r a t i o nw a ss e tu p m o d e l i n go ft h es t r u c t u r eo ft h ee x p e r i m e n t a lp i p e l i n ew i t ht h ef e as o f t w a r ea n s y s i n h e r e n tp r o p e r t yo fp i p e l i n ev i b r a t i o na n di n f l u e n c eo fp i p e l i n es t r u c t u r eo nt h ev i b r a t i o no f t w o - p h a s ef l o ww e r ea n a l y s e d a n d v i b r a t i o np r o t e c t i o nm e a s u r e sw e r eb r o u g h tf o r w a r d a p p l i c a t i o no fa n s y ss o f t w a r e ，t h ea n a l y s i so ft r a n s i e n td y n a m i c so fl - t y p ea n d u - b e n dp i p e 晰t ls t r o n gv i b r a t i o nb e c a u s eo f g a s l i q u i da l t e r n a t ef o r c e ，w a sc a r r i e do u t s o v i b r a t i o nr e s p o n s eo fp i p es t r u c t u r ew a s g o t ，p r o v i d i n gat h e o r e t i c a lb a s i sf o r t h es a f ed e s i g n o f p i p e l i n e k e y w o r d s ：g a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o w , p i p e l i n e ，v i b r a t i o n ，f r e q u e n c y , e n e r g y 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：矽厂年厂月矽日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者虢主查丝查 指导教师签名： 日期：伽尹年j 月矽日 日期：么叩年孓月羽日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 1 1 研究背景及意义 课题来源于国家十一五重大专项高含硫气田集输工艺与安全控制技术复杂地 表条件下湿气集输系统工艺技术研究。 天然气从井口经计量后由集输管线输往气体处理站。在输入过程中，由于管壁和周 围环境的换热，凝析液将可能会析出，同时，随着气田开采的发展，气田将会出水，从 而导致管线中产生积液。 积液的产生会降低了气体的有效输送截面积，导致管输效率降低；输送阻力增加，导 致单位长度管线压降增大，增加了动力消耗；在一定温度条件下会形成水合物，造成冰 堵事故；对于高含硫和二氧化碳气体天然气管线，积液存在加速管线的电化学腐蚀，易 造成管线穿孔。 可见，积液的存在会严重影响着集输管线的安全、高效运行，甚至会造成事故。因 此，对管线积液进行监测，根据积液量采取合适的清管时机具有重要意义。本国家专题 目标之一是开发开发具有自主知识产权的便携式振动法非介入积液监测系统。为此，首 先从研究气液两相流管道振动机理分析入手。 1 2 气液两相流动特性研究现状 1 2 1 气液两相流 气液两相流动是指在同一流动体系中，同时存在气相和液相两种流动介质的流动现 象。它是多相流动现象中最为常见的类型之一。 气液两相流根据组分、流动环境、流动状态等可分成各种类型。如根据物质组分的 不同，气液两相流可分为单组分气液两相流( 气液两相的组分为同种物质) ，如水蒸气一 水两相流( 又称汽液两相流) ) 和双组分气液两相流( 气液两相流的组分为两种不同的物 质，如空气一水两相流等) ；根据流动环境的不同，气液两相流又可分为管内气液两相 流和管外气液两相流等等1 1 。而气液两相管流( 即管内气液两相流) 在工业过程中更为常 见，应用更为广泛。 气液两相流问题的研究与发展和工程技术的进展密切相关，在十九世纪末和二十世 纪初，对锅炉及水循环问题的研究已经涉及到了气液两相流流动时发生的脉动问题。二 十世纪三十年代，根据生产发展的需要，气液两相流的研究工作日益展开，发表的论文 逐渐增多。在1 9 3 0 - - 1 9 4 0 年间，m l e d i n e g g 和e s c h m i t 等研究了中压以下的气液两相 第一章绪论 流不稳定性及气液两相流的问题。1 9 4 0 1 9 5 0 年间，卜w l o c k h a r t 和r c m a r t i n e l l i 等对气液两相流的研究深入到流动阻力问题及具有热交换的单组分气液两相流领域。 1 9 5 0 年以后，随着动力工业中高温高压参数的引入以及宇航、核电工业的发展，对于气 液两相流的流动机理等有关问题进行了较深入的研究。近几十年来，气液两相流的流动 机理，流动形式及其影响因素，流动时相的分布及摩擦阻力计算等问题得到了较为广泛 深入的研究，并得到许多理论及经验计算式，有关的专著也大量出版。这标志着气液两 相流问题的研究已进入一个逐步形成一门新学科的阶段。 对于气液两相流的分析处理方法，目前主要有以下三种【2 】。其一是所谓经验方法， 即从物理概念出发，或者用因次分析法，或者从基本微分方程中得到描述某一特定两相 流动过程的无因次参数，然后根据实验数据得出经验关系式。其二是半经验方法，即根 据所研究过程的特点，采用适当的简化假设，再从两相流的基本方程求得描述该过程的 函数形式，然后根据实验结果定出方程中的经验系数。第三种方法是首先分清气液两相 流的流型，然后根据各种流型的特点，分析其流动特性并建立关系式。一般认为，这种 方法是建立在两相流的实质性特点的基础上，更具有普遍意义。 虽然迄今为止对气液两相流的实验和理论研究已取得了显著成果，不仅可以解决许 多工程技术中的有关设计运行问题，而且已奠定了进一步开展研究和探索的基础。但是 由于气液两相流问题固有的复杂性、多样性和测试手段的局限性，故至今对于气液两相 流的流动机理，流型形成，阻力特性，质量、动量和能量传递等还不十分清楚，对其许 多现象的分析还存在许多分歧。所以目前对气液两相流的研究不得不采用基于实验数据 的经验式或半经验式，或者直接进行实验模拟研究。但是随着工程领域的不断发展，气 液两相流方向的新课题不断提出和深化，不仅可以推动对气液两相流现象的深入了解， 为研究提供新的丰富的内容，也可以为验证已有的模型、理论和关系式提供机会，从而 使气液两相流学科得到进一步的发展，而这种发展反过来又必将促进有关工程领域的迸 一步发展。 1 2 2 水平管道气液流型研究综述 气液两相流的宏观运动规律以及它与其他运动形态之间的相互作用是两相流体力 学的主要研究对象之一。气液两相流动问题当属流体力学的研究范畴之一，流体力学的 基本方程( 如质量守恒方程、能量守恒方程及动量守恒方程等) 也适合于气液两相流。 但由于一般流体力学所考虑的介质为均匀的各向同性的流动介质，而在气液两相流中， 不仅应对各相列出各自的守恒方程，且要考虑气液两相间的相互作用，因此两者间在本 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 质特征上有较大的不同。 两相流流型就是两相流的结构形式。气液两相流其他特性的研究往往依赖于对流型 形成机制及其特点的认识，所以流型研究是两相流的机理及其规律研究的重要组成方 面，同时也直接关系到对两相流学科中其他问题的分析研究。从工程角度看，流型直接 影响到两相流系统的管程压降，从而影响了动力功率的设计；流型又是两相流系统稳定 运行的状态参数，是运行稳定可靠性的标志。 在气液两相流系统中，流型的变化意味着气相和液相之间交界面形状的变化，因而 意味着相之间动量传递模式和热量传递模式的变化。流型研究的主要内容和目的就是要 在各种不同条件下，确定流型的类别以及各流型之间相互转化的过渡条件，了解和掌握 各种流型的产生和变化机制，从而可以选择或构建合适的模型来确定气液两相流系统的 阻力特性、传热特性和传质特性等，以便采取适当的措施，保证系统工作的可靠性和安 全性，提高系统工作效率。 在气液两相流流动过程中，由于气、液两相均可变形，两相界面将不断变化，从而 两相介质的分布状态也不断改变，所以流型极为复杂。另外，流型与管线及管截面的形 状、管道的角度、管道加热状态、所处的重力场、介质的表面张力、壁面及相界面间的 剪切应力等因素又有密切关系。因此总体而言，流型的种类是相当复杂繁多的。这使得 不同的研究者，从不同角度对流型进行研究时，会给出流型的不同定义和划分。对于水 平管绝热流动，在不同的液相流量下，e l s p e d d i n g 等提出的流型划分也有十余种。 由于流动条件变化的多样性以及研究角度的多样性，基于流动结构形态学上的流型 划分方法有以下几个问题： 流型定义的不确定性目前对于各种流型的定义建立在主观观察的结果上，这样不 可避免引入观察者主观因素的干扰，因此对流型的判别只能定性判断，还没有公认的定 量判断方法。 流型定义的多样性对于各种流型，目前还未建立起一套统一的且被公认的定 义。 近年来，有些学者提出了从多相流中的流动介质的连续性出发进行流型的划分。即 将介质的形态分别分为连续的( c o n t i n u o u s ) 、间歇的( i n t e r m i t t e n t ) 和弥散的( d i s p e r s e d ) 。对 于水平管中的流型，可以图1 1 所示的方式进行划分。 3 第一章绪论 弹状流( 液相连续、气相间断) 塞状流( 气相连续、液相间断) 气泡流( 液相连续、气相弥散) 雾状流( 气相连续、液相弥散) 连续间断 状态 连续弥散 状态 图水平管气液两相流流型按介质的连续性进行划分 f i g l - 1c l a s s i f i e db ym e d i u mc o n t i n u i t yo f f l o wp a t t e r no fh o r i z o n t a lp i p eg a s - l i q u i dt w o - p h a s e f l o w 由于这种流型划分方法一方面考虑介质的连续性，便于将两相流问题与比较成熟的 单相流流体力学相联系，另一方面又能将各种不同的流型归结为较少的几种模式，相互 之间有比较明确的区别特征，简化了理论研究的对象，从而便于气液两相流的研究与应 用。因此有希望为流型划分找到一条比较客观和完善的途径。 尽管流型的分类方法存在上述缺陷，但是毕竟比较形象直观，易于理解，加之目前 还没有各方面都具有明显优越性的流型分类方法，从而它还是为大多数研究者所接受。 在水平绝热管中，由于重力的作用，气相较多地分布在管道上部，液相则较多地分 布在管道底部，流型较垂直管要复杂一些，具体有以下几种( 如图1 2 所示) ： 泡状流：气相以分离的气泡散布在连续的液相内，气泡趋于沿管道顶部流动。这 种流型在含气率低时出现。 塞状流：小气泡结合成大气泡，如栓塞状，分布于连续的液相内。大气泡也趋于沿 管道顶部流动。 分层流：在气液流量均较小时，液相在下部气相在上部流动，两相间有较光滑的 界面。 波状流：当气相流量较大时，气液分层面上沿流动方向呈现波浪形。 弹状流：在波状流中，当波增长到与管道顶部表面接触，将位于管道上部的气相分 割成气弹时，就形成了弹状流。 4 中目m 学( 华东) 硕士学位论立 环状流：气体( 夹带有液雾、液滴) 在管道中心形成雾状流动气核，液体形成液膜沿 管壁向前流动，液膜不一定连续的环绕整个管壁。 泡状流 寒状流 分层流 弹状流 波状流 ： j 一 吲、状流 图1 - 2 水平气灌两相管流的流型 f i g l 一2f l o w p a t t e r no f h o r i z o n t a lp i p e g a s - l i q u i d l o 。p h a s e f l o w l23 水平管中流型的流型图及转换准则 由于实际需要，人们常用采用流型图柬判定定流动参数下会发生何种流型流型 图是一种判别流型过渡准则曲线组合舟，它提供定参数范卜m 现某些特定潍型的区 段叉提供了特定参数坐杯( 常选择气、液柑的流量作为决定流型的l ：要控制参数) 。较 为通j h 的二维坐标流型i | 分别以液体流吊和气体流昔为横纵一4 柏、，h 前人部分实验数据 柬口空4c 和水的实验。流型图是综合表示流型m 过渡天系的一种简便方法。 塔管气液两相流流型定义和划分 存在，“殖闻雕，仉t hf 流型研究的重要性，人们 第一章绪论 对此做了大量工作，并取得了一定成果。早期的研究者，如b a k e r ，k o s t e r i n ，a l v e s ，b a k e r 和h o o g e n d o o m 等，最先尝试根据界面相分配形式划分出不同流动形式，之后m a n a h a n ， t a i t e l ，w e i s m a 。等，l i n ，s p e d d i n g 等研究者提出水平管内流动的有代表性的流型图。 ( 1 ) b a k e r 流型图 b a k e r 流型图【3 j 是建立最早且是最为人们所熟悉的通用流型图之一，目前还在广泛使 用，尤其在石油工业和冷凝工程设计中。这个流型图的实验数据是来自j e n k i n s ( 1 9 4 7 ) ， g a z l e y ( 1 9 4 8 ) ，k o s t e r i n ( 1 9 4 9 ) j f 【1 a l v e s ( 1 9 5 4 ) 1 4 。】实验，大多数数据来自在内径0 0 2 5 4 m 管内 空气水实验( 只有k o s t e r i n ( 1 9 4 9 ) 实验在内径0 1 m 管) 。由于最初的b a k e r 流型图在系统参 数的影响方面有缺欠，不少学者对其进行了修正，女l l b e l l 等( 1 9 7 0 ) 【8 】对b a k e r 流型图坐标 进行修改( 简化) ，改进后的b a k e r 流型图，如图1 3 所示。 奄 宅 、一 ， 。 岁 v s l1 i ，( m s ) 图l - 3b e l l 修正b a k e r 流型图 f i g l - 3m o d i f i c a t o r yb a k e rf l o wp a t t e r nf i g u r e 流型图分别以气液表观质量流速为横纵坐标，同时引入两个参数y 和1 l r ，来考虑流 体物性的影响( 以室温下实验数据为标准状态，对非标准状态，流体密度、粘度和表面 张力要发生变化，考虑引入参数y 和1 l ，进行修正) ，其关系式如下式( 1 - 1 ) 和( 1 - 2 ) 所示： 7 = 獬甜 m ， y = 蚴( 等矾爿 m 2 ， 其中p ，和仃分别表示流体密度、动力粘度和表面张力，下标a i r 和w a r 表示空气 和水在标准状态( 室温2 0 c ，0 1 m p a ) ，下标g 和，表示气相和液相。 s p e d d i n g & s p e n c e ( 19 9 3 ) 1 9 1 ，用在内径为0 0 4 5 5 m 和0 0 9 3 5 m 管内进行空气水的实验 数据，按b a k e r 定义绘制流型图，表明流型图的准确性随着管径增加而降低，b a k e r 流型 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图没有处理好管径的影响。 ( 2 ) m a l l d h a n e ( 1 9 7 4 ) 流型图【1 0 】 m a n d h a n e 等人根据近6 0 0 0 个试验值，其中l1 7 8 实验值属于空气水流动，综合归纳 了水平管中气液两相流图，如图1 - 4 所示。此图以按管内压力及温度算得的气相折算速 度和液相折算速度吃为坐标，目前这一流型图被广泛采用。l i n & h a n r a t t y ( 1 9 8 7 ) 1 l 】， 指出m a n d h a n e 图没考虑管径的影响。 ( 3 ) w e i s m a n ( 19 7 9 ) 流型图【1 2 l 破修正，w e i s m a n 流型图考虑了流体物性和管径对水平管内两相流动的影响。 流型间转换边界用下面的经验关系式如下式( 1 3 ) 至l j ( 1 6 ) 所示： 南一o 2 5 m 3 ，二苫= o i 墨i ( 1 3 ) 一g d v 一) 、。 盼l - 茄舞问叫8 ， 7 第一章绪论 誊 o ir i i - i - l 匡 o ： 一 - _ 。 一 l _重 波状流： 。f 一1 7 ： j 。 - l e 一 芗赫薹分p ：分层赢 i ： ，一i _ - j 皇一 1 i j 一 n ，| 绺 南卜7 m 5 ， 南兀等 0 4 5 = 8 阿1 6 m 6 ， 方法( 定义一组控制流型变化的无因次参数) 和基于模型假定的半理论半经验方法确定各 1 ) 水平管中流型转换 t a i t e l 等( 1 9 7 6 ) 1 1 3 1 最先尝试不依靠可视观察识别流型转换，发展了预测水平和近水 平气液两相流流型转换半理论方法。每个流型转换边界由数学关系式表示，建立在简单 的物理机理和假设基础上。每个流型转换机理是不同的，流型图采用不同坐标形式，如 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 0 0 0 0 1 0 0 0 冒1o o 1 0 1 l o 1 乜 0 1 筒 卜 o 0 1 0 0 0 1 图l 一6t a i t e l 水平管流型图 图中横坐标为x 值，纵坐标为k ，t 和f 等无因次值，根据水平管内空气一水流动的 流型实验结果( 压力为o 1 m p a , 温度为2 5 c ，管径为2 5 m m ) ，将流型划分为分层流、泡状 流、段塞流( 塞状流和弹状流等) 和环状流四大类，分析各种流型在过渡时的力平衡关系， 同时引入一系列无因次基本量k ，f ，t ，x 构成了流型转换的控制参数组，来描述流型过 渡的无因次参数k ，f ，t 与x 的曲线，并将实验结果汇集于一图。 其中控制参数如下( 1 7 ) 到( 1 11 ) 所示： x = 乩，k 到d z ) 跖 0 5 m 7 ， 一 ( 焘 ( 去矿 m 8 ， 丁= 而蒜矿 m 9 ， 卜与踏坐 ( 1 - fd zj s g k = f ( r e 乩0 5 ( 1 - 1 1 ) j 通- d of ，k , 删d zj 皿- 与f ，k 川d z ) 跖分别为气相和液相单独流过同一流道全部截面积时的摩擦 压力梯度( p a m ) 。q 为流道的倾角( r a d ) ，d 为流道内径( m ) ，p 为介质密度( 坎m 3 ) 9 第一章绪论 v 为介质流速( m s ) ，g 为重力加速度( m s 2 ) 。下标中l 和g 分别为气相和液相介质， s 为表观量。 t a i t e l & d u k l e r 水平流型图提出各流型间转换的机理与控制参数分别为： ( 1 ) 曲线a 是波状分层流和段塞流或环状流流型之间的边界 层状流到段塞流 假定在分层流的界面上产生一个小的扰动，当气相通过波形交界面时波峰处受到加 速，根据k e l v i n h e l r n h o l z 不稳定性原理，局部压力降低，使波峰同时受到抽吸力和重力 作用，当抽吸力大于峰部的重力效应时，波峰就会扩大，被气流推动一直向前流动，构 成半弹状流；或者波峰达到管顶与管顶接触构成弹状流。 波状流到环状流 当管内液面高度很低时，且气相流速比液相流速高得多时，波可能被向上推移并围 绕管子形成一个环形，于是就出现环状流。 过渡线a 通过用f 与x 的关系式来表达。 ( 2 ) 垂直线b 为段塞流、泡状流和环状流型之间的转换界限 t a i t e l 等假设液面平均高度超过管道高度一半以上就会发生这种过渡。液位高度与 管子内直径的比值等于0 5 时，所对应x = i 6 。当x i 6 时为段塞流 或细泡状流，取决于t 的大小。 ( 3 ) 曲线c 为段塞流型和泡状流型的转换界限 在分散泡状流中，气相分散在连续液相中，当液相的湍流脉动效应大于气泡的浮力 时，阻止气泡聚合到管道顶部。否则，便会形成段塞流。可以用t 对应x 的曲线来表示 这一过渡。 ( 4 ) 曲线d 为层状流到波状分层流之间的过渡 主要与液体表面张力及气液两相间的滑移速度有关，根据k e l v i n h e l r n h o l z 稳定性理 论给出过渡准则，用k x 的关系描述过渡准则。 t a i t e l & d u k l e r 方法与实验比较： t a i t e l & d u k l e r 过渡准则与m a n d h a n e 实验流型图吻合的相当好，但与w e i s m a n 等人实 验进行比较时差异较大。w e i s m a n l l 4 1 6 1 所依据数据来自1 2 m m ，2 5m l t l ，5 1m m - - 种管径， 各种特性流体，他提出流型转换准则式判据与自己实验数据吻合很好，普适性不如t a i t e l & d u k l e r 准则，t a i t e l 关系式更适合外推到一个比较宽的管径和物性范围，还是被推荐使 用的半理论关系式) 。研究也表明t a i t e l & d u k l e r 方法物理基础并不完全可靠，过渡准则 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 存在不足： ( 1 ) 不适于高粘流体，但预测低和中等粘性液体的层状流和段塞流之间的过渡特性 相当好。 ( 2 ) 段塞流和弥散泡状流的过渡，控制该过渡的无因次变量t 没考虑表面张力因素。 ( 3 ) 人为规定液面平均高度超过管道高度一半对应于段塞流和弥散环状流过渡准 则，并不完全合理。 1 3 气液两相流管道振动研究现状 早在1 0 0 多年前，人们就发现了充液管道系统的水击现象引起的管道振动，当水击 压力以波的形式在刚性管道中运动时，又称其为压力涌浪，水力暂态诱发的管道振动在 振动力学中也成为喘振。作为一种极端的非定常流动问题，水击产生的压力升高以波的 形式在管道系统中运动，对于弱约束的管道系统，会诱发管道的自激振动，甚至大幅度 的振荡，振动又会引起新的水力暂态过程，造成在管道中，同时并存液体流动、压力波 动以及管道振动等多种形式。在经典的水锤分析中，仅将管道的弹性引入压力波的传播 过程中，管壁的惯性和轴向运动没有考虑，这一假定对于全管刚性固定的管道是可以接 受的。 管道系统的振动问题又被称为“典型的动力学问题”，简单的管道系统涉及了流固 藕合【1 7 2 6 】力学中大多数问题，单相流输送管道流固耦合( f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，f s i ) 问题，集中于输液管道液弹耦合振动和稳定性研究以及声弹耦合振动研究，并发展了有 限元法、特征线法和传递矩阵法等数值求解方法。 而气液两相流管道流固耦合问题因气液两相流复杂性而研究成果甚少。研究气液两 相流流固耦合问题时通常采用理想的气液混输瞬态流动理论模型，理论模型可分为：均 相流模型、双流体模型、漂移流模型、无压波模型。均相流模型将气液混合物看成一种 均匀介质，假设气相和液相速度相等，两相介质达到热力学平衡，忽略气液相间滑脱， 认为气液混合均匀和分散相体积浓度低，适用于气泡流和弥散流。双流体模型分别对气 液相分别建立连续性方程和动量方程，考虑了相间作用，可适用多种流型，主要用于分 离流( 分层流和环状流) ，也可用于段塞流。漂移流模型将管线中的两相流体当成一种 流体，考虑相间滑移，漂移速度和混合物速度呈线性关系，建立混合动量方程。对段塞 流有很好的适应性。无压波模型消除方程中的声波现象。但是采用以上理论模型建立起 来的振动理论模型在流型为波状流层状流段塞流等流型会不适用，实际应用效果不 第一章绪论 好。 对于两相流诱发振动问题，现有理论多集中于换热器中气液两相流横掠管束振动研 究，包括周期性流动冲击、流体弹性不稳定、紊流随机激发以及涡街振动。而对于内流 管道振动研究相对甚少。在油气集输领域气液混输管道基于各种流型的振动问题更是需 要研究。 1 4 本文的主要研究内容 本文拟以中国石油大学室外大型多相流试验环道的试验结果为基础，获取大量的大 管径管道流动的振动实验数据，并基于气液混输理论进行机理分析。采用a n s y s 软件对 管道结构进行模态分析和动力学分析并结合振动实验提出防振措施。 本文具体研究内容如下： ( 1 ) 在大型多相流实验环道上进行气液两相流实验，获得气液两相流在气泡流、 分层流、段塞流、弥散流流型下的振动信号并分析其振动机理；进行一系列气液流量下 管道振动测试，得到振动信号数据，并分析流体参数对管道振动强度的影响。 ( 2 ) 运用大型有限元软件a n s y s ，对实验管道结构建模，分析管道振动响应的固 有属性，和管路结构对气液两相流振动的影响，并提出防振措施。 应用a n s y s 软件，对受到气液交替冲击变化作用力下，存在强烈振动现象的典型管 道l 型弯管和u 型弯管，进行瞬态动力学分析，得到管道结构振动响应，为管道安 全的设计提供理论基础。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第二章实验系统 本论文的试验通过空气和水来实现气液两相流。 2 1 实验流程及装置 2 1 2 实验流程 气液两相流管道振动实验的流程图如图2 1 所示，实验流程如下：水由离心泵增压， 计量后进入气水混合器内与空气混合；空气由变频压缩机提供，经过缓冲罐和气体流量 计后与水在气液混合器内混合，之后进入实验环道。最后，气水两相进入卧式分离器进 行气水分离，气相直接排空，水则循环回到水罐。 1 一水罐；2 一离心泵；3 一调频压缩机；4 一缓冲罐；5 一气路调节阀； 6 一水路调节阀；7 一金属浮子流量计；8 - - r o s e m o u n t 质量流量计； 9 一气液混合器；1 0 一实验环道；1 1 一气液分离器； 图2 - 1 气液两相流管道振动实验流程图 w 9 2 1e x p e r i m e n t a lf l o wc h a r to fp i p e l i n ev i b r a t i o no fg a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o w 本实验在中国石油大学( 华东) 油气储运教研室多相流实验环道上进行。该套实验 装置的特点是：实验装置规模较大，管线足够长；流动参数测量仪表的精度高、反应快； 数据采集系统的采集速率高。实验装置的这些特点为进行水平管气液两相流实验并获取 可靠的数据提供了良好的基础。 1 3 第一章实验系统 图2 - 2 石油大学多相流实验环道 n 9 2 2 m u l t i p h a s e f l o we x p e r i m e n t a l l o o pr o a do f u p c 图2 - 2 为多相流实验环道的示意图。实验环道采用不锈钢管焊接而成，全长3 8 0 m 管道内径为00 8 m ，整个环道呈水平状态。多相流实验装置主要是由起点的气液相介质 供应系统、大型实验环道、终点的气液分离系统以及控制系统和数据采集系统组成。为 了便于观察流型，在试验段卜布置有一段长2 m 的透明有机玻璃管：环道沿程设置了温度、 压力、压差、截面含气率、流型管测量点；终点安装了管束式捕集器和容器式捕集器。 整个实验系统基本上实现了微机自动控制，利用l a b v i e w 采集实验管路起点的气液流量、 压力、温度、沿线的压力、差压，采样频率为1 0 0 0 h z 。该实验环道能够进行气液两相和 油气水- i j ；n 流动的多种实验模拟。 实验环道上测点的分枷如下图直管道上有2 个测点，弯管卜有3 个测点，可以同时 测得气液两相流在直管和弯管的振动信号。 2 12 实验装置说明 实验环道如图2 2 所示，却置在3 0 r e ) ( 7 0 m 的场医中。史验环道装置如下： l 、气液十h 供应系统 实验环道由台v l3 门25 型压缩机供气，其罐人供气儿三力为1 25 k g c m 2 ，最人排 气量为13 8 0 m 3 h 。为了使入l j 气柯压力保持稳定对压缩机采用变频调速，另外在压缩 机出h 连接有1m 3 和2 m 3 的气体缓j r _ | 罐，以、r 衡排彬t 体的压力波动。 液相由台i s y s o 一5 0 3 15 离心采供府，离心泉供液量为o 5 0 m 3 h 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 图2 - 3 实验环道测点布置图 f i 9 2 - 3l a y - o u td r a w i n go fm e a s u r i n gp o i n to fe x p e r i m e n t a ll o o pr o a d 2 、入口混合器 气液混合器的管段内设置一个水平隔板，挡板长为5 0 0 r a m 。隔板上方为进气通道， 下方为进液通道。这种设计能够减小两相之间的影响，使气体流量的波动大为减小，混 合器上游的气量波动幅度可控制在3 5 范围内。 3 、气、液相压力、压差控制与流量计量 实验要求液相流量范围o - - - 5 0 m 3 h ，气相流量范围0 3 6 0 m 3 h 。流量变化范围大，因 此分别选用2 台气动调节阀并联完成，调节阀选用美国m a s o n e i l a n 系列调节阀。流量调节 由工控机自动控制。 由于流量变化范围宽，流量计量仪表也选用多台流量计完成。气液相的流量由气动 调节阀调节，为了提高调节精度，每种介质采用两个调节阀并联使用，根据试验流量范 围，可手动、自动切换。液相计量采用两台r o s e m o u n t 质量流量计，其流量范围分别为 0 1 0 m 3 h 和0 - - - 1 0 0 m 3 h 。气相计量采用两台金属浮子流量计，流量范围分别1 0 1 0 0 n m 3 h 和1 0 0 1 0 0 0 n m 3 h ，根据试验流量范围，手动进行切换。流量信号全部送入工控机，可 以进行实时监测和控制。 4 、压力信号测量系统 整个环道压力变送器有两种，分别为r o s e m o u n t 和k e l l e r 。r o s e m o u n t 压力和压差变 送器的稳定性和重复性很好，还可以根据需要调节量程，精度为0 1 级，频响为2 2 h z ， 能够满足测量要求。流程图中标记的1 、2 点之间，3 、4 点之间，b f 、g h 、d i 以及j k 之间布置了k e l l e r 差压变送器；a 、b 、c 、d 、e 、五处测压点装有r o s e m o u n t 压力变送 器。另外在a c 、b d 、c e 之间布置- j r o s e m o u n t 差压变送器。k e l l e r 压力变送器的精度 1 5 第二章实验系统 为0 1 级，频响为5 k h z 。在试验管段末端安装有容器式液塞捕集器和列管式液塞捕集器， 通过捕集器末端的气动调节阀，可以改变和维持分离器的操作压力，也就是试验管道出 口背压。实验环道中各压力和差压传感器的布置位置如下图所示： a 图纠水平管多相流测点布置简图 f i 9 2 - 4l a y - o u td r a w i n go fh o r i z o n t a lp i p em u l t i p h a s ef l o wm e a s u r i n gp o i n t 5 、振动信号测量系统2 7 】 通过测试现场管道的实际振动状态，分析管道的动态特性，识别其模态频率及动力 响应，这是进行管道振动监测的常用方法。管道振动测试系统如下图所示，包括传感器， 放大器，信号显示、记录、打印设备以及信号处理机等几个单元。测振量程范围，位移 最大3 m m ( p p ) 左右，速度2 0 0 m s ( o v p 或i 蝴s ) ，频率0 l 0 0 0 h z 即可满足现场需要。 图2 5 管道振动测试系统 f i 9 2 - 5t e s ts y s t e mo fp i p e l i n ev i b r a t i o n 振动传感器【2 8 】【2 9 1 是将振动运动信号转变为电学( 或其他) 信号的装置。根据被测 振动运动是位移、速度还是加速度，可以将振动传感器分为位移传感器、速度传感器和 加速度传感器三类。由于位移和速度可以分别由速度和加速度积分得到，因而速度传感 器还可用于测量位移，加速度传感器可以用来测量速度和位移。从力学原理上讲，振动 传感器又可分为绝对式传感器和相对式传感器两类，前者需要将传感器固定在被测物体 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文 待测点上，测量绝对振动运动；后者则用来测量被测量物体待测点相对于固定基准的振 动运动。相对式传感器又分为接触式和非接触式两个子类。从电学原理上，根据所采用 的将力学量变为电学量的传感器敏感元件的性质，振动传感器又可分为电感型、电动型、 涡流型、压电型和电阻型等诸多类型。本实验采用压电式加速度传感器。 将压电晶体( 石英晶体和人工压电陶瓷钛酸钡、锆钛酸铅等) 沿特定方向切成薄片， 薄片两端镀电极，在薄片的特定方向( 如厚度垂直或剪切方向) 加力时，在电极面上将 产生电荷。当力的方向相反时，电荷符号也相反。设q 为电极面上电量，f 为外力，于是 有d = g f ，d 为与晶体切割方向和变形状态有关的常数，称为压电常数( 库仑牛顿) 。 压电晶体可以看成是一种电容器，电容为c 0 ，晶体厚度( 电极面之间距离) 为盯，介电 常数占，电极面面积s ，电量q ，电压，则c 0 = 了c s ，= 盖= 西d 仃f 。式中罟表示对 应单位外力、单位厚度电容器的开路端电压，是评价压电晶体灵敏度的重要参数，称为 电压灵敏度。 压电型传感器的主要优点是： ( a ) 使用频率范围宽( 0 1 h z - 2 0 0 k h z ) ； ( b ) 动态范围大( 1 0 1 3 9 - 1 0 4 g ) ； ( c ) 附加质量小( 最小可n o 0 0 1 k g 或更小) ，因此压电传感器是目前振动测量中使 用最为广泛的传感器。压电传感器的主要缺点是对后继信号适调器要求较高，一般需要 较复杂的电荷放大器。 2 2 数据采集系统及数据及处理 2 2 1 气液参数数据采集与处理 ( 1 ) 气液参数采集 装置上一共配备有两套数据采集系统，第一套采集系统是以“i n t e l u t i o n ”公司 的工控组态软件f i x6 2 为平台，编制软件进行实验装置的控制与数据采集，但采集速率 较低，以1 秒为周期实时采集和显示气液流量和测点压力等参数。第二套数据采集系统 是n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的高速采集系统l a b v i e w ，通过n i 公司的p c i - 6 0 7 1 e 高速采集卡 采集实验过程中气液相流量、压力、压差等数据，以二进制文件存储在硬盘上。这套系 统最多可采集6 4 路模拟信号，单通道采集频率1 2 5 m h z 。考虑到差分接线方式抗干扰能 力强，实验采用差分接线方式，即两个通道采集一路信号。实验采集的主要参数有：气 1 7 = $ 宴骑最统 相流量、液相流量、沿线各特定点的压差、 的界面如下图所示： 日= e ：z = = = j 口口 二竺= lj 二。： ? 茜+ j ；i ；- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 压力以及温度、液相密度等。数据采集程序 一 + 一：一。 墨 篇= = 拳管= = = = 各一 | 垄f26 数据米集程片界囱 f i 9 26 i n t e r f a c e o f d a t aa c q u i s i t i o np m g 哺m ( 2 ) 气液参数处理 数据的采集和处理都在l a b v i e w 系统下进行l a b v i e w 足种图形化编程语占，非常 适合于实验数据的采集和分析，利用该软件的信号处理功能可以实现信号处理和再种分 析，具有强大的数据处理能力，它可以曲线形式显不气晕、液量干压力随时间的变化情 况，也能将数据转换为文本格式，便j 其它应用软件处理。数据处理程序界面如f 图所 4 ；： p e j 二f 日油大掌( 华东)多相流实验数据处理系统 ， 羔 ：”：露瓣 j 一jp 一。 豳烹型- 。” 釜釜一；：j ：叠i 薯童l 叠- 一 一 j? 赫 | | | | | 兰兰萋 群争鬟 中国石油大学( 华东) 硕士论文 图2 - 7 数据处理程序界面 f i 9 2 - 7i n t e r f a c eo f d a t ap r o c e s s i