（油气储运工程专业论文）水平管内气液两相流流型数值模拟与实验研究.pdf

n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n tr e s e a r c h o nf l o wp a t t e r no f g a s l i q u i df l o wi nh o r i z o n t a lp i p e z h a od u of 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 e s s o rl ( o nj i e a b s t r a c t i nt h ep e t r o l e u mi n d u s t r y , o i l w a t e ra n dn a t u r a lg a sa r eg e n e r a l l y p r o d u c e da tt h es a n l et i m ea n ds e n ti nt h ef o r mo fm i x t u r e a c c o r d i n gt ot h e d i f f e r e n tc o m b i n a t i o n so ft h ef l o wm e d i r i l l ，w ec a nd i v i di ti n t o g a s l i q u i df l o w o i l - w a t e rf l o wa n do i l g a s - w a t e rm u l t i p h a s ef l o w w h e nt h em i x t u r ef l o w si np i p e l i n e ，d i f f e r e n tf l o wp a t t e r n sw i l lb e f o r m e dv a r y i n gw i t hv a r i o u sp a r a m e t e r s c h a n g e s t h ed y n a m i c sa n dh e a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i ci sd i f f e r e n tf o rd i f f e r e n tf l o w p a t t e r n s o f m u l f i p h a s ef l o w t h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h ef l o wr e g i m e s f o rt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho fm u i t i p h a s ef l o wa n dt h em e a s u r e n l e n to f p a r a m e t e r s p a p e ri n t r o d u c e st h ef l o wp a t t e r n so ft h eg a s - l i q u i df l o wa sw e l l a st h em a j o rr e s e a r c hm e t h o d t h ei n f l u e n c eo fl i q u i df l o wa n dg a sf l o w f o rt h ec h a n g e so f f l o wp a t t e r n si so b s e r v e dt h r o u g he x p e r i m e n t s ，a n di t i st h ef i r s tt i m et os i m u l a t et h ef l o wr e g i m e so ft w o - p h a s ef l o wi n p i p e l i n ew i 也n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o l , w a r ef l u e n t t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i p h a s ef l o wa n dt h e f e a t u r e so fu s eo f t h em u i t i p h a s em o d e l si nf l u e n t , t h ev o fm o d e li s s e l e c t e dt os i m u l a t et h ef l o wr e g i m e so fg a s - l i q u i df l o wi np i p e p a p e ru s e s i i i t h eu n s t e a d y , i m p l i c i t , s e g r e g a t e ds l o v e rt o c a r r yo u tt h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o na n dd o e st h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sf o rt h ef l o wp a t t e r n si n p i p e s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tv o fm o d e lc a nb eu s e dt os i m u l a t e t h eb u b b l ef l o w , p l u gf l o w , s t r a t i f i e df l o w , s l u gf l o wa n dw a v ef l o w u n d e r t h ec o n d i t i o nt h a tg a sf l o wi n c r e a s e so rl i q u i df l o wr e d u c e s ，c h a n g e so f t h e f l o wp a t t e r na l es a m ea se x p e r i m e n tc o n c l u s i o nc o m p a d n gt h es i m u l a t i o n r e s u l t sw i t ht h em a n d h a n ef l o wp a t t e r nf i g u r e ，w ek n o wt h a tt h et w oi s a p p r o x i m a t e l yc o n s i s t e n t i ta l s oc a r r y so u tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nb y 眦o fs o m eo ft h ee x p a d m e n td a t a s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r cc o n s i s t e n t w i t l lt h ee x p e r i m e n tc o n c l u s i o n s k e yw o r d s t w o - p h a s ef l o w , f l o wp a t t e r n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , f l u e n t 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：壑昼年 月 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：趑鳋 导师签名：乏耋oc 玉一 年 焦 月 月 日 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及目的 在石油的开采过程中，从油井采出的往往不是单一的原油，而是 原油及其伴生天然气。另外，在油田开采的中后期，水压驱动是一种 常用的采油方式【l 】，这就使得油井采出物常常是原油、天然气和水的 混合物。因此，在油田地面集输系统中，广泛采用多相混输管路。另 一方面，由于陆上油气资源有限，人们已将油气勘探和开采活动逐步 转向海洋、极地、沙漠和滩海等地区。在这些自然环境极其恶劣的地 区，将开采出的油气资源进行就地分离并利用多条管线分别输送，无 论从经济还是环保的角度上讲，都是不现实的。采用多相混输工艺技 术具有降低工程投资、减少运行费用等单相管路不可比拟的优势。多 相混输日益成为石油、天然气工业中最常见的一种运输方式。据资料 记载，多相输送能降低油气田开采费用的| 0 4 0 2 1 1 3 4 1 。混输管 路也正从过去的小直径、短距离逐步向大直径、长距离的方向发展。 油、水和天然气是同时产出并以混合物的形式输送的。由于油、 水和天然气之间具有不同的成分和不同的物理、化学性质，以及各相 之间的相互作用，使得混合物之间存在一个形状与分布在时间和空间 上都不确定的相界面，因此多相流的流型具有多样性。根据流动介质 的不同组合将其划分为气液两相流，油水两相流和油气水三相流。 在两相或多相管路中，混合物在管路中流动时，随着压力、流量、 温度、油气比、管道几何形状及地形起伏等参数的变化，形成许多具 有不同相分界面的流动结构形式，简称流型( 也称为流态) 。不同的 多相流型具有不同的动力学和传热特性，因而流型的研究对多相流的 理论研究与参数测量十分重要。 流型同时影响着流动参数的准确测量以及流动系统的运行特性。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章绪论 对流型的认识直接影响着两相流摩擦阻力、界面含气率、热交换系数 等参数的准确计算和理论模化。在工程应用中，流型研究也具有重要 的应用价值。在涉及到多相流动的管路系统设计时，流动压降是基本 参数之一，而两相流压降与流型具有密切关系。实验结果表明，在相 同的质量流量下，不同流型下的流动阻力可以变化几倍甚至几十倍。 不同的流型，将会使管道受到不同频率分布特性的作用力。流型的不 同对流动参数的准确测量有很大影响，只有考虑流型影响的前提下， 气液多相流的研究才能达到足够的精度，基于不同流型的计算结果准 确性才能达到最高。进而，在流型基础上建立的具有深厚理论基础的 模型较之纯经验的关系式更能适合于应用，基于流型描绘的计算方法 最终必将取代那些对流动特征不作任何考虑的纯经验的算法。 在各种多相流参数中，就工程应用角度而言，流型被认为是最重 要同时也是最难测量的参数，从而也是多相流技术研究的重点。如何 比较客观地确定流型，以及如何在流动过程中实时地利用流动状态信 息确定流型也是目前在流型研究及工程应用中所迫切需要解决的问 题。研究多相流的流型及其转变，对石油天然气钻采和储运过程的工 业设备设计及提高其运行效率、安全可靠性等，起着至关重要的作用， 多相流流型的准确客观识别也是实现油田多相流精确计量和高效可 靠生产与技术进步的重要前提。因此，客观上要求对流型进行有效识 别。 由于石油工业发展的需要，多相流体流动机理的研究和应用已成 为近代石油工业技术的重要分支，是一门正在发展的新兴理论技术。 计算机技术的发展为多相流的研究和应用提供了更为有效的工具。但 迄今为止，人们仍未能清晰地认识多相流动的本质和规律，因而也未 能产生能够准确表征多相流特性的数学模式。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 深入了解和研究多相管流的流动特性是正确设计和布置混输管 线的工艺流程，确保管线及其设备运行的安全性与经济性的基础。因 此，对多相管流技术进行理论和实验的研究具有非常重要的意义。 1 2 国内外研究现状 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。流 型是描述气液两相流动体系的基本要素之一。正确判断流型对于气液 两相流的研究和工程应用都有重要意义，因而它一直是两相流研究领 域的重要方面。 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【5 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 一1 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 两相流不稳定性及气液两相流的问题。1 9 4 0 - - 1 9 5 0 年间，r 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 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 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。 对于流型形成机制及其特点的认识，是两相流的机理及其规律的 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。对于气液两相流的分析处理方法，目前主要有以下三种 6 1 。 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 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 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 气液两相流实验技术 气液两相流流型的主要研究手段之一是实验手段。主要思路是利 用气液两相流动模拟实验技术获得流型产生、发展、转换的各种条件， 从中归纳出流型的形成和变化规律。 气液两相流实验技术与其他多相流实验技术一样，由于流体流动 特性的复杂多变，因而难度极大。为此，国内外研究人员作了巨大努 力，涉及的技术门类极其广泛。 目前国内外在气液两相流实验技术及参数测量中采用的路线大 体可分为以下三大类嘲： 一是采用传统的单相流仪表与多相流参数测量模型组合的测量 方法。因为传统的单相流仪表不仅工作可靠，而且被许多应用者所熟 悉，再根据被测对象的工况配以合适的测量模型，能在一定的精度范 围内解决许多气液两相流实验和参数的测量问题。例如，根据两相流 的流动特性，基于分相流模型和均相流模型建立流量检测模型，或基 于压力降脉动噪声建立的流量测量模型，可以利用传统的孔板差压流 量计来进行两相流流量的测量。又如在单相流中广泛采用的光学、电 学、热学等传感器，经过改造也广泛应用于气液两相流的测试系统中。 再如采用多传感器组合，进行气液两相流的多参数测量。这些方法取 用信号少，测量装置一般比较简单可靠，因而具有很大的工程应用价 值。因而如何将成熟的单相流实验技术和参数测量仪表更可靠、更广 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 泛的应用于气液两相流测量中将是一个重要的研究方向。 二是采用近代新技术，如辐射线技术、激光技术、光纤技术、超 声技术、相关技术、过程层析成像技术等。基于射线吸收和散射原理 的仪表是多相流组分的重要测试手段，国外在此领域的技术已趋成 熟，形成了商品化的工业仪表；激光多普勒技术由于具有非接触方式、 空间分辨率高、动态响应快、方向性好和测速范围宽等特点，得到了 很大的发展，特别是相位多普勒技术不仅能测量气泡相的速度，还能 得到尺寸分布和流量信息，应用更为广泛。由于过程层析成像技术具 有能得到两相流动态图像的诱人特点，在过去的十多年得到迅速发 展。随着计算机技术的发展，应用过程层析成像技术，非接触地、实 时地获得两相流的二维三维信息是重要的发展趋势。 三是在成熟的硬件基础上，以计算机技术为支撑平台，应用基于 软测量技术的测量方法。把现代信息处理方法如状态估计，过程参数 辨识，人工神经网络，模式识别等引入到气液两相流实验技术和参数 测试领域，通过这些方法解决具有复杂性、随机性、且很难用数学模 型精确描述的两相流实验技术中所涉及的参数测量问题。 1 2 3 气液两相管流流型研究综述 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，因此两者间在本质特征上有较大的不同。 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 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 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章绪论 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l - l 所示的方式进行划分。 图l l 水平管气液两相流流型按介质的连续性进行划分 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。 3 圈圈圈 一) ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 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。 一 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。 图1 2 水平气液两相管流的流型 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 1 2 4 流型及其转换的理论判断 流型及其转变特性的研究，是多相流研究进入精确和数学化的先 决条件，是多相流领域从实验科学走向理论科学的前提。气液两相流 流型问题的困难不仅体现在其定义与划分上，出于类似的原因，流型 的识别及流型过渡准则的确定也有较大的困难。尽管如此，由于流型 问题的重要性，人们还是对此作了大量的工作。 1 2 4 1 流型图 流型图是用于流型识别及流型转换判断的重要工具之一。早在 1 9 4 9 年，l o c k h a r t 等研究了不同的管内流动条件下的流动阻力问题， 同年k o s t e r i n 在研究管径以及管道倾斜对流动阻力影响的同时，提出 了判断流动结构的流型图，b a k e r 在k o s t e r i n 等人研究结果的基础上 发展了流型判别的流型图方法。同时代h o o g e n d o o m 针对水平管气液 两相流也应用了这一方法。其后，出现了许多种不同条件下得到的流 型图。比较有代表意义的有m a a d h a a e e t a l ，t a i t e l & o t l k j e r ，w e i s m a n e ta i ，s p e d d i n g & n g u y e n ，b a m e ae ta l ，b a m e a & t a i t e l ，b a m e a ，l i n & n a a r a t t y 以及w a m b s g a n s s e ta l 嘲。典型流型图如图l - 3 所示。 总体而言，尽管目前对于气液两相流流型判断的理论方法进行了 较多的研究，但是由于对流动机理缺乏深入的了解，所建立的理论模 型常常存在较大的误差，不同的研究者所得到的流型图也不完全一 致，有时差异相当大，以至于应用者无所适从。再者，由于两相流系 统的复杂性，所涉及的工况条件与流体物性参数的多样性，在较近的 将来，还难以获得一个对各种流型都普适的理论模型，使流动的本质 特征得到凸现而大大简化流动模型，获得简明且普适的流型转换准 则。退一步说，即使要应用现有的这些流型图和转换准则，还需得到 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 分相流量等参数，而在实际工程应用中，往往是希望通过判断流型来 实现对这些参数的检测。这就构成了应用这种方法进行流型判断的两 难境地。 分数气泡流 愈 * ： 翻 镧 蜮 嚣 霉 燃 气桕折算速度：。，米秒 图1 - 3m a n d h a n e 提出的水平管流型图 1 2 4 2 流型的在线识别 ， 由于应用流型图或流型转换判据对流型进行判别存在着上述困 难，应用仪器设备直接识别管道内气液两相流的流型就自然而然地成 为人们的选择了。 根据工作原理，流型的测量方法可以分为两类： ( 1 ) 直接测量法直接测量法是最早用于确定流型的一种方法。 根据两相流的流动形式，直接确定流型。其中包括目测法、高速摄影 法、射线衰减法和接触探头法等； ( 2 ) 间接测量法通过对反映两相流波动特性的信号进行统计 分析来获取流动状况的基本特征，从而确定流型。常用的方法有绝对 压力测量、差压测量、相分率测量信号的p d f ( p r o b a b i l i t yd e n s i t y 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章绪论 f u n c t i o n s 概率密度函数) 、p s d ( p o w e rs p e c t r u md e n s i t y 功率谱密度 函数) 、c h a o s & f r a c t a l 分析等【7 1 。 流型的判别是研究多相流动的基础，与两个因素密切相判引：( 1 ) 对某一具体流型的描述；( 2 ) 相邻流型间的转换。 实验观察法的主观性和流型变化的多样性，是导致现有流型图只 有定性性质的主要原因。主观判断流型在邻近流型过渡区及高流速多 相流时难以保证结果的准确性。为客观的识别流型，许多学者开始尝 试用其它方法展开对流型进行识别，这包括计算多相流波动信号的功 率谱密度函数( p s d ) 及概率密度函数( p d f ) ，而且开始将小波变换 【9 】【，分形技术以及人工神经网络【i l j l 2 1 等应用到流型识别领域。 智能流型识别是指在一定的工况下自动判别系统所处的流动结 构型式。智能流型识别的过程有3 个主要的步骤【1 3 】：第l 步是检测系 统流动状态的特征信号；第2 步是从所检测到的特征信号中提取出特 征向量；第3 步是根据特征向量来识别系统的流型。 用于流型识别的神经网络主要有b p ( b a c kp r o p a g a t i o n ) 神经网 络及径向基函数( r a d i u sb a s i sf u n c t i o n ，简称i m f ) 神经网络。其中 b p 网络具有较强的逼近非线性映射和模式分类能力，但是该算法是一 种简单的最速下降静态寻优算法，存在局部极值问题，不利于迭代收 敛，收敛速度慢。因此有关改进b p 算法的研究层出不穷，这些改进 方法大致可分为两类：一类着重于改善b p 算法的控制参数，如自适 应调整学习率、冲量因子：另一类则从数值优化角度来增强b p 神经 网络的学习能力；径向基函数网络属有监督学习网格f 1 4 1 。要使网络具 有解决问题的能力，首先要用大量具有代表性的学习样本训练网络。 网络经反复训练结束后才具有较强的推广能力，方能解决实际问题。 为此必须获得大量准确、具有代表性的实测数据或实验数据，建立网 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章绪论 络学习样本库和测试样本集。此外，白博峰等人f l s l 从反传神经网络 ( c o u n t e r p r o p a g a t i o n n e t w o r k ，c p n ) 的结构及其特点出发分析了如 何根据压差波动过程自动、客观地识别流型，考察流型自动和在线识 别的指标，并对该方法的优缺点就行了比较。该方法的提出为流型的 客观和自动识别提供了一种技术选择。 1 3 研究内容 本论文以实验和数值模拟为基础，在以下方面进行了研究： ( 1 ) 在大型多相流实验环道上进行气水两相流实验，获得详实 的实验数据，对流型进行观测。 ( 2 ) 利用数值软件f l u e n t 对不同流量情况进行模拟，旨在对 水平管道中气液两相流流型进行研究。通过模拟，得出气液相的分布， 确定相应流型，为今后多相流特性的数值研究提供基础。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验系统与数据采集 第2 章实验系统与数据采集 为了能够获取准确、可靠的实验数据，本文在中国石油大学( 华 东) 油气储运教研室的大型多相流实验环道上进行了相关的气液两相 流流动实验。 2 1 实验系统 2 1 1 实验装置 图2 - 1中国石油大学多相流实验环道 图2 1 为整个实验环道的布置图，环道采用不锈钢管焊接而成， 全长3 8 0 m ，管道内径为o 0 8 m 。整个环道为水平布置，实验装置主 要是由起点的流动介质供应系统、大型实验环道、终点的分离系统 以及控制和数据采集系统组成。为了便于观察流型，在实验段上布 置有透明有机玻璃管；环道起点有清管球发球筒，中间设有u 型起 伏段，采用起吊方式改变倾角，可调角度为- - 3 0 。+ 3 0 。，起伏 段用于测试起伏管路对多相流的影响；环道沿程设置了温度、压力、 压差、截面含气率、流型等测量点；末端有收球筒和旁接计量罐， 利用清管可直接测量管内集液量和管道工艺参数；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 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验系统与数据采集 制及数据采集，利用l a b v i e w 编制的高速数据采集系统对实验管 路起点的气液流量、压力、温度、沿线的压力、差压进行采集，取 样频率为i k h z 。该实验环道能够进行气液两相和油气水三相流动 的多种工况模拟。 2 1 2 实验流程 1 一水罐；2 一油罐；3 一离心泵；4 一螺杆泵；5 一调频压缩机；6 一缓冲罐； 7 一气路调节阀；3 一水路调节阀；9 一油路调节阀；l o 一金属浮子流量计； 1 1 ，1 2 - - r o s e m o u n t 质量流量计；1 3 一油水混合器；1 4 一气液混合器； 1 5 一测试段；1 6 一气液分离器；1 7 一油水分离器 图2 - 2 大型多相流实验环道的流程图 实验工质为空气和水，经泵增压，调节阀调压，液体质量流量计 计量的液相和由空气压缩机增压，经调节阀调压，气体流量计计量的 压缩空气进入气液混合器，混合进入实验环道。气体流量计量采用金 属转子流量计，液体流量计量采用r o s e m o u n t 质量流量计。在测 试段对压降，含气率进行测量并判断流型，其中压力由r o s e m o u n t 表压和差压变送器检测，含气率测量和流型判断由f r m 2 0 8 0 型流型 分析仪完成。气液两相流出实验环道后进入容积式液塞捕集器进行气 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验系统与数据采集 液分离，分离后的液体经腰轮流量计计量后回到液体储罐，分离后的 气体经涡街流量计计量后直接放空。起终点温度由温度传感器测量。 文酬1 q 中为保证充分发展流动，取实验段进口稳定长度为8 1 2 5 倍管 径，在本实验条件下入口段到第一个测点距离为4 0 9 8 m ，距离与管径 之比为5 0 6 ，从而保证了流动的充分发展。 2 1 3 数据采集与处理 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 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2 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 撕伽a lh 栅m e m 公司的高速采集系统m 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。 数据的采集和处理都在l a b v m w 系统下进行，l a b v m w 是一种 图形化编程语言，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各种分析，具有强大的数据处理能 力，它可以曲线形式显示气量、液量和压力随时间的变化情况，也能 将数据转换为文本格式，便于其它应用软件处理。在本实验中主要测 量的参数有：气相流量、液相流量、某一气液流量下所对应的流型、 压力以及温度等。 2 2 实验参数范围和介质物性 2 2 1 实验参数范围 环境温度：1 8 o 2 3 o ： 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验系统与数据采集 气相折算速度：5 0 2 5 o n l s ； 液相折算速度：0 0 5 0 2 2 m s ； 2 2 2 介质物性 ( 1 ) 空气的物性t 1 7 1 密度：由气体状态方程可得： 成= 丽历p 丽，成2 面丽压3 式中，气体常数r = 2 8 7 1 j ( k g k ) ，p 是绝对压力，p a 。 动力粘度： 儿= ( - o 9 8 6 0 1 + 9 0 8 0 1 2 5 x 1 0 。t 一1 1 7 6 3 5 5 7 5 x 1 0 4 t 2 十1 2 3 4 9 7 0 3 x 1 0 。7 t 3 5 7 9 7 1 2 9 9 x 1 0 “t 4 1 1 0 。p a s 式中，声为空气的动力粘度( p a s ) ，r = f + 2 7 3 1 5 。 ( 2 ) 水的物性 ， ( 2 1 ) ( 2 - 2 ) 由文献 1 7 】得到水在压力为o 1 m p a 时的物性参数： 密度： 成= 1 0 0 0 6 3 - 0 0 7 7 t - 0 0 0 3 5 t 2 ( o t 1 0 0 ( 2 )( 2 - 3 ) 式中，p 。为水的密度( k g c m 3 ) ，t 为环境温度( ) 。 动力粘度： 以= - 0 0 4 7 4 + 1 5 1 4 e ( 。7 2 9 4 2 ) + 0 3 0 2 # t x l o - s 7 6 7 ) ( o t 1 0 0 ) ( 2 - 4 ) 式中，。为水的动力粘度( m p a s ) ，t 为环境温度( ) 。 表面张力： 盯，= 5 8 4 9 + 1 7 2 t 一0 0 6 6 x t 2 + 7 4 3 x t 3 ( 2 0 t 4 0 ) ( 2 - 5 ) 式中，口。为水的表面张力( n a n m ) ，t 为环境温度( ) 。 1 7 生里互塑查堂! 堡奎) 硕士论文第2 章实验系统与数据采集 2 3 实验结果 2 3 1 滤波理论 由于采集的信号不可避免的存在大量噪声，将有用信号从噪声覆 盖下提取出来就显得尤为重要，而最常用的信号提取方法即要对采集 的信号进行滤噪。常用的滤波方法有五点三次光滑滤波、m e d i a n 滤波、 低通滤波、小波自适应滤波等嗍。 2 3 2 几种滤波方法消噪效果比较 下面是对一段塞流信号利用几种滤波方法滤波后的效果： 曲蕾粤 00 511522 533 5 455 i = 矬t i1 0 , i k l u 山 版 甲i 、。j 几” 可飞 j 一一_ u x 胛1 r ； ：咿 i ； _ 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章实验系统与数据采集 m d i o n 麓 帆i 血j - ：。j “ f1 m厂? 呷”lj | | 1 乜洲l 划畔 l o051522 533 5445 5 t 叠i 洼( 止_ 宰为峙h z ， x o 洲 工 蚺州 j f | ，i 。v1 1，|i“ll i l lk -。觥l i 一i r 。；ll 、i | 椭姻适应滤波 m 芦 幽 一f r | l。一、 一t | f l1 。丙 b 矿1 ，r v j o0 511 522 533 544 55 x 1 一 图2 - 9 几种滤波方法效果比较 由于小波滤波能够有效地去掉各种噪声的影响，因此在数据滤波 处理过程中采用小波虑噪。 2 3 3 实验结果处理 通过测量气液两相的流量，可以利用公式= 鲁，屹= 导求 得气相和液相的折算速度w ，孵、k ，同时实验中可以得到每种工况下 对应的流型。 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章实验系统与数据采集 根据实验结果，得出流型变化受气体流量和液体流量的影响：液 体流量不变，气体流量增加时，流型变化趋势：波状分层流一段塞流 一环状流；气体流量不变，液体流量减小时，流型变化：段塞流一分 层流。 其中实验中出现较多的流型为分层流和段塞流。 兽 漫 斌 o 一 更 箕 寸 塞 卜 n酶 霜嚣蠖 q 吨 甘 稍 蜜 寮 o 。 盛 n n 寸 葛苫 斌 g 峋 誊 t 十 喽 。 求 稿 。 寸 篓n 小 鲻 譬 s 簧 蠖 葵 q咤 荨一 。 薛 &蜜 胬衣 西 高 一 避 nq芝 魄 糊 寸 = 交 d 导 。 盛 一 荨 善 ：2 f 、 寸 螺 穹 爱 qg 椭 譬 d 。 盛 譬 西 - n n 一 蟋 西 譬 g 踏 gq 善 6 求 d 0h 篓 一& 鲻 山 ，、 q ，、0童。 翟 篓 驰 倒 囊到 $ 、一斌 鎏童 萋董 圹。 莘萎擎 塞董 _ f 喜 攥r 、， 簧g 辇喜 骝 球鬃骧裁奸螺嘶繇林褂n挟 仪秘_千隧长秤一孙k震悼匠壬 炼 磊 答 葛 苫 嗵 一 葛 “ d 求 寸 n 磊 寸 斌 8 啮 一d 求 寸 88v 、 媛 “ 磊 d 卜 嗵 交 一 荨 no 求 葛 一 媛 d寸 稍 n 盛 荨 斌 “ 豁 喽 n 蜜 6 求 r 寸 a 芝 斌 t n o 。 蹬 一求 客 摹 臻 寸 d 稿 蜜 铺 n 寸“ 盛 一n 魄 寸 气 高 斌 a 诮 0、 蜜 o8 - 一n挺 山 ，、 q ，、 。 k 醵 罂薯 过” 饕篓 辖。 副 蓬董蓄g辇喜 萋喜 霎董 型： 萎耋 零蔷 臻 骝 旷 疑甓v 剥斌譬晕锹ib设1艿a文僻 撩米晦裁坷娇倏魏袜褂n猴 戗秘书隧婚斟v扑k景恕皿廿 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流体动力学建模 第3 章流体动力学建模 随着计算机的广泛应用、近似计算方法的发展以及计算流体的产 生，用数值模拟的方法考察流动特性成为可能。数值计算法比理论分 析法更能适应复杂工程问题的需要，与实验方法相比，能大大节省实 验费用和时间，特别是对实验难以完成的某些测量，则可以用计算机 做计算试验。 2 0 世纪7 0 年代以来，随着计算机的普及以及计算能力的不断提 高，加上近似计算方法如有限差分法、有限元法、有限体积法等的发 展，基于数值计算的计算流体力学( c f d ) 方法正在冲击并改变着传 统的工业过程设计方法。这种数值方法是通过建立各种条件下的基本 守恒方程( 包括质量、动量以及能量等) ，结合一些初始和边界条件， 加上数值计算理论和方法，从而实现预报真实过程的各种场，如流场、 温度场、浓度场等的分布，以达到对过程设计与优化、放大及控制的 详细描述。 3 1c f d 理论及f l u e n t 软件简介 3 1 1c f d 理论 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是 建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的- l q 新型独立学 科。通过采用数值计算方法直接求解描述流体运动基本规律的非线性 数值方程组，经过计算机数值计算和图像显示，在时间和空问上定量 描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。c f d 的基本思 想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，用一 系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式 建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代 中国石油大学( 华东) 硕士论文第3 章流体动力学建模 数方程组获得场变量的近似值”。 c f d 可以看作是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、 能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们 可以得到流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、压力、温度、浓 度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况等。 c f d 的优势：适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程 一般是非线性的，自变量多，计算域的几