（油气储运工程专业论文）管路积液红外检测技术实验研究.pdf

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困石油 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己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： ：撞盗 日期：珈。j 年 上月；j 同 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。 学位论文作者签名：杨哟 指导教师签名： 圣王垒 日期：沙t 1 年，月岁j 日 日期：加1 1 年r 月；1 日 摘要 普光气田地形相当复杂，天然气输送采用湿气集输系统，液相会在地势低洼 处沉积，降低管线输气效率，同时，也造成管线内腐蚀，高含的二氧化碳和硫化 氢又会加剧腐蚀，因此，对管线积液进行检测，根据积液量采取合适的清管工艺 对普光气田集输管线安全高效运行有重要意义。 本文提出利用液体和气体的比热容的巨大差异，通过对管线加热或者制冷使 管线外壁产生温度梯度，分析温度梯度判断管线内积液高度。基于以上原理，本 文通过f l u e n t 软件模拟与实验研究相结合的方法开发出了用于两相分层流管 线的红外积液检测系统。该系统包含管道加热系统、数据采集系统、数据处理系 统。红外热像仪采集加热后管段外壁的温度梯度，采集的图像通过u s b 接口实时 传输到电脑，通过积液检测软件判断管内积液高度。该系统能实现不破坏管线结 构，在管外壁非介入式测量管内的积液，不会影响天然气管线的正常生产。 本文通过f l u e n t 软件模拟，分析了管内液位高度、加热时间、气体流速以 及撤掉热流密度后散热等因素对管外壁温度梯度的影响。红外积液检测系统在中 国石油大学( 华东) 逸夫楼实验室进行了室内的实验。实验过程中，及时分析了实 验数据，进行误差分析，对比动态和静态条件下积液检测系统的检测精度，总结 环境及人为等因素对检测结果的影响，根据实验效果，不断调整加热膜的温度设 置及加热的时间等实验，修改软件中积液检测算法，完善红外积液检测系统。 红外积液检测系统在普光气田集输管线上进行了性能验证，分析管线内的积 液高度受地形、气量变化及测点前后阀室的压力变化的影响。检测得出的结果与 o l g a 软件模拟的结果基本一致，取得了很好的效果。 关键词：积液，红外热像仪，温度梯度，两相分层流，比热容 s t u d yo fp i p e l i n el i qu i dl o a d i n gi n f r a r e d m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y y a n gt a o ( 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 t h et e r r a i no fp u g u a n gg a sf i e l di sr a t h e rc o m p l i c a t e d ，a n dt h en a t u r a lg a so fi ti st r a n s p o r t e d b ym o i s t u r eg a t h e r i n gs y s t e m l i q u i dd e p o s i t si nl o w - l y i n gp l a c e ，w h i c hw i l ld e c r e a s eg a s t r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo ft h el i n e ，m e a n w h i l e ，i ta l s ow i l lc a u s ec o r r o s i o ni n s i d ep i p e l i n e ，a n d h i g hc o n t e n to ft h ec a r b o nd i o x i d ea n dh y d r o g e ns u l f i d ea n dw i l le x a c e r b a t ec o r r o s i o n t h e r e f o r e ， m o n i t o r i n gl i q u i dl o a d i n gi np i p e l i n e ，a n dt a k i n gs u i t a b l ep i g g i n gp r o c e s sa c c o r d i n gt ot h el i q u i d l o a d i n gh a si m p o r t a n tm e a n i n gt oo p e r a t i n gg a t h e r i n ga n dt r a n s p o r t a t i o np i p e l i n eo fp u g u a n gg a s f i e l ds a f e l ya n de f f i c i e n t l y t h i sp a p e rp r o p o s e st h e l i q u i da n dg a sh a v ee n o r m o u sd i f f e r e n c e s s ow ec a ng e tt h e t e m p e r a t u r eg r a d i e n to u t s i d et h ew a l lo fp i p e l i n eb yh e a t i n go rc o o l i n gt h ep i p e l i n e h e i g h to f l i q u i dl o a d i n gw i l lb eg o tb ya n a l y s i n gt h et e m p e r a t u r eg r a d i e n t b a s e do nt h ea b o v ep r i n c i p l e ，t h i s a r t i c l ed e v e l o p st h ei n f r a r e dl i q u i dl o a d i n gm o n i t o r i n gs y s t e mf o rt w o - p h a s es t r a t i f i e df l o wl i n e t h r o u g hs i m u l a t i o no ff l u e n ts o f t w a r ea n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h t h i ss y s t e mc o n t a i n sp i p e l i n e h e a t i n gs y s t e m ，d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，d a t ap r o c e s s i n gs y s t e m t h e r m a li n f r a r e di m a g e rg a t h e r s t e m p e r a t u r eg r a d i e n to u t s i d et h ew a l l ，t h ei m a g eg a t h e r e dw i l lb et r a n s m i t t e dt ot h ec o m p u t e r t h r o u g ht h eu s b ，t h eh e i g h to fl i q u i dl o a d i n gc a nb ej u d g e db yl i q u i dl o a d i n gm o n i t o r i n gs o f t w a r e t h i ss y s t e mc a nm e a s u r et h el i q u i dl o a d i n go u t s i d et h ew a l lo ft h ep i p e l i n ew i t h o u td e s t r o y i n gt h e s t r u c t u r eo ft h ep i p e l i n eo ra f f e c t i n gt h en o r m a lp r o d u c t i o no f g a sp i p e l i n e s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h eh e i g h to fl i q u i dl o a d i n g ，h e a t i n gt i m e ，g a sv e l o c i t y , h e a td i s s i p a t i o na f t e rh e a t i n ga n do t h e rf a c t o r st ot e m p e r a t u r eg r a d i e n to u t s i d et h ew a l lo fp i p e l i n e b ys i m u l a t i o no ff l u e n ts o f t w a r e i n f r a r e dl i q u i dl o a d i n gm o n i t o r i n gs y s t e mw a st e s t e di nt h e l a bo fy i f ub u i l d i n gi nc h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m d u r i n gt h e e x p e r i m e n t a lp r o c e s s ，w e a n a l y s e dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , c o n d u c t e dt h ee r r o ra n a l y s i st i m e l ya n dc o m p a r e dp r e c i s i o no f i n f r a r e dl i q u i d l o a d i n gm o n i t o r i n gs y s t e mu n d e rs t a t i ca n dd y n a m i cc o n d i t i o n s t h i sp a p e r s u m m a r i z e st h ei n f l u e n c eo fe n v i r o n m e n ta n dh u m a nt ot h em o n i t o r i n gr e s u l t s a c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a le f f e c t ，w ec o n s t a n t l ya d j u s t e d t h et e m p e r a t u r ea n dh e a t i n gt i m eo ft h eh e a t i n g m e m b r a n e ，m o d i f i e dt h es o f t w a r ei nt h el i q u i dl o a d i n gd e t e c t i o na l g o r i t h ma n dp e r f e c t e dt h e i n f r a r e dl i q u i dl o a d i n gm o n i t o r i n gs y s t e m i n f r a r e dl i q u i dl o a d i n gm o n i t o r i n gs y s t e mw a st e s t e di np u g g a n gg 笛f i e l d t h i sp a p e r a n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft o p o g r a p h y , v e l o c i t yo fg a sa n dp r e s s u r ec h a n g e st ot h el i q u i dl o a d i n g r e s u l t sm e a s u r e da r eb a s i c a l l yt h es a m ew i t ht h er e s u l t so fs i m u l a t i o nb yo l g as o f t w a r e ，a n d g o o dr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d k e y w o r d s ：l i q u i dl o a d i n g ，t h e r m a l i n f r a r e di m a g e r , t e m p e r a t u r eg r a d i e n t , t w o p h a s e s t r a t i f i e df l o w s ，c a p a c i t y 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 积液检测方法研究现状2 1 3 红外热成像检测技术发展现状3 1 4 本文的主要研究内容5 第二章两相分层流换热f l u e n t 数值模拟7 2 1 管线红外积液检测技术原理7 2 2f l u e n t 数值模拟8 2 2 1 几何模型建立8 2 2 2 多相流模型的选择一8 2 2 3 湍流模型的选择1o 2 2 4 网格单元划分1 1 2 2 5 边界及初始条件1 2 2 2 6 静态加热模拟结果及分析1 3 2 2 7 动态加热模拟结果及分析2 0 2 2 8 普光现场工况制冷模拟2 8 2 2 9 加热与制冷对比分析3 0 2 3 本章小结3 0 第三章红外积液检测装置室内实验3 1 3 1 红外热成像积液检测探讨性实验3 1 3 2 红外热成像积液检测系统介绍3 2 3 2 1 管道加热系统3 3 3 2 2 数据采集系统3 5 3 2 3 数据处理系统3 6 3 3 实验流程和主要设备4 2 3 3 1 实验流程4 2 3 3 2 主要实验设备4 3 3 4 实验介质4 4 i v 3 5 实验步骤4 5 3 6d ) 2 0 0 管段静态实验4 6 3 6 1 实验参数4 6 3 6 2 实验结果4 6 3 6 3 实验结果分析4 7 3 70 2 0 0 管段动态实验4 9 3 7 1 实验参数4 9 3 7 2 实验结果5 0 3 7 3 实验结果分析5 0 3 80 5 0 8 管段静态积液检测5 l 3 8 1 实验管段介绍5l 3 8 2 实验参数5 2 3 8 3 实验结果5 3 3 8 4 实验结果分析5 3 3 9 本章小结5 4 第四章红外积液检测系统现场验证5 6 4 1 普光湿气集输管线实验5 6 4 1 1 测点位置选择5 6 4 1 2 管线测点位置预处理5 7 4 1 3 积液检测实验及结果5 9 4 1 4 实验结果分析6 0 4 2 普光湿气集输管路积液o l g a 模拟6 l 4 2 1 天然气组成6 l 4 2 2p 2 0 1 - 末站管路特征6 1 4 2 3 管线运行参数6 3 4 2 4o l g a 软件模拟结果6 3 4 3 本章小结6 5 第五章结论6 7 参考文献6 9 致谢7 2 v 中国石油大学( 华东) 硕十学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 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的子课题 积液检测技术研究。 天然气输送有干式和湿式两种集输系统。随着天然气田开发技术的不断发展，湿式 集气工艺的优越性越来越明显。湿气集输管线在运行过程中，由于管壁和周围环境的换 热，水分和重烃会凝析出来。此外，随着天然气不断开采，气井会有水析出，游离水在 管线内不断沉积，产生积液。管线内流型由气体单相流变成气液多相流动，这对管线安 全运行产生很大威胁。 管线内积液的产生会引起以下问题： ( 1 ) 积液在管线的低洼处沉积，减小了气体的输送面积，降低管线输气效率； ( 2 ) 气体流通面积减小，导致输送阻力增加，管线内单位长度压降增大，动力消耗增 d i ：i ： ( 3 ) 有水存在时，压力、温度满足一定条件会形成水合物，严重时会造成冰堵； ( 4 ) 输气管道内积液的存在会加剧管线腐蚀，减少管道的使用寿命。尤其是普光气田 天然气高含二氧化碳和硫化氢，积液的存在会加速管线的电化学腐蚀，严重时，会造成 管线穿孔，对管道的安全运行威胁极大。 ( 5 ) 普光气田地形复杂，管线内存在积液会形成段塞流。段塞流的产生会导致管线 的压力和流量较大波动，另外，当液塞体积超过下游液塞捕集器的容积时，给正常生产 带来了困难，严重时会导致停产，段塞流也会对管线造成冲击和振动，从而破坏管线。 普光气田位于四川省达州市，是我国迄今为止规模最大、丰度最高的特大型整装海 相气田，为目前我国第二大气田。普光气田地处青藏高原与四川盆地的过渡地带，地形 复杂多样，山、丘、坝皆有，普光气田复杂地表见图1 一l 。普光气田天然气采用湿气集 输工艺输送j 在天然气输送过程中，管线中出现积液是集输系统里面临的最严重的问题， 给井场集输系统的建设和运作带来很大的麻烦1 1 1 。 输气管线内积液的存在给管线的安全、高效运行带来极大的威胁，严重时会造成事 故。因此，研究湿气集输管道积液规律，寻求合理的积液防控措施，对普光气田集输系 统的安全、高效运行具有非常重要的意义。要控制管内的积液，可以对管线进行积液监 第一章绪论 测，根据积液量采取合适的清管工艺。然而目前还没有成熟技术和产品应用于现场积液 监测，许多测量方法还只限于实验室测量。 目前采用的许多积液量检测方法都是介入式的，会对正常清管造成不便。同时普光 气田天然气采用湿气集输工艺输送，高含硫化氢和二氧化碳，测量探针在化学腐蚀和电 化学腐蚀下很快失去作用，另外，在管线上开口还面临天然气泄漏的危险，这是绝对不 允许的。随着国内大量的酸性气田的开采，亟待开发适用于腐蚀介质、不影响清管操作 的积液检测系统。本国家专题目标之一是开发具有自主知识产权的便携式非介入积液检 测系统。非介入积液检测方法有多种，如：振动噪声检测方法、红外热成像检测方法、 超声波检测方法。本文主要研究气液两相流管道积液的红外热成像检测方、法1 2 1 。 图1 - 1 普光气田复杂地表图 f i g l - ic o m p l e xs u r f a c em a p o fp u g u a n gg a sf i e l d 1 2 积液检测方法研究现状 目前还没有成熟技术和产品用于现场积液检测，许多积液测量方法还只能在实验室 应用。下表1 一l 是目前广泛采用的几种积液测量方法的原理、技术特点、及适用范围。 表1 - 1 几种不同积液测量方法的对比 t a b l e l - 1 c o m p a r i s o no fd i f f e r e n ta c c p m u l a t e dl i q u i dv o l p m e m e a s u r e m e n tm e t h o d s n 0 方法名称 原理 特点 适用范围 通过测量封闭管道内的获得某一管段影响系统运行，仅限于实验室 l 快关阀门法 液体量获得积液量平均积液量测量 2 中国石油大学( 华东) 硕_ 二学位论文 表1 - 1 几种不同积液测量方法的对比( 续) t a b l e l - 1 c o m p a r i s o no fd i f f e r e n ta c c p m u l a t e dl i q u i dv o l p m e m e a s u r e m e n t m e t h o d s 液膜中加入着色剂，根 获得光路上积需要布置复杂的光学系统，仅 2 荧光法 据光电管射出散射光的 强度可确定夜膜厚度 液高度限透明管 根据射线衰减程度和液获得管线内积设备昂贵，具有辐射性，存在 3 射线衰减法 膜厚度的关系进行检测液高度安全隐患；适用于稳定流动 根据探针接触的气液的 不同，引起的光电热，获得管内积液影响冈素较多，且为介入式测 4 接触探针法 将非电量信号转为电信高度量方法，干扰正常清管 号进行测量 微波通过液层会发生衰获得管内积液由于金属管壁的吸收作用，无 5 微波吸收法 减高度法实现管外测量 层析成像方 安装在管道内壁布置敏 获得管截面上 敏感元件布置在管道内壁：对 6 感元件，通过重构运算， 于电容层析或电阻层析系统， 法的气液相分布 获得气液空间分布需要管壁为非导电体 根据气液两相的光反射获得某一管段干扰正常流程，一般仅限于实 7 光纤探针法 强度不同进行检测积液量 验室测量 获得某一管段需要改造管道，一般仅限于实 8 透明管道法利用图像处理的方法 的积液量验室测量 由表1 1 可以看出，快关阀门、法【3 】会影响系统运行，仅限于实验室平均积液量的测量。 荧光法和透明管道法【4 】都要求管壁透明，不能应用于现场积液检测。接触探针f 5 】和光纤 探针积液检测方法属于介入式测量方法，需要在管壁上开孔，普光气田高含硫化氢和二 氧化碳气体，开孔存在泄漏的风险，另外探针需要布置在管线内部，会干扰正常的清管 作业，不适合采用。射线衰减【6 1 和微波吸收【7 】类方法虽然属于非介入式测量方法，但射 线或微波不能穿透管壁，不能对已投产的管线进行在线的积液检测。此外，射线类方法 还存在操作安全问题；层析成像方法也属于介入式测量方法，影响清管作业。 综上所述，由于普光气田高含硫化氢和二氧化碳，且采用湿气输送工艺，管线内存 在较多积液，清管频繁。为防止硫化氢泄漏及保证清管顺利进行，要求积液检测时不破 坏管线结构，实现管外壁非介入式测量。以上积液检测方法均不能满足该要求。因此， 需要探讨其他积液检测方式。 1 3 红外热成像检测技术发展现状 1 8 0 0 年，英国物理学家f w 赫胥尔从热的角度来研究各种色光时，发现了红外线， 3 第一章绪论 红外线以电磁波形势存在，波长介于0 7 6 - - - 1 0 0 a n 之间，与无线电波及可见光本质相同， 按波长的范围红外线可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在电磁波连续 频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域1 8 。 任何温度在绝对零度以上的物体，不论温度高低，都会因自身分子和原子无规则的 运动，不断发射或吸收电磁热辐射。红外光具有很高的温度效应，这是红外热成像测温 技术的基础。红外热成像就是通过红外探测器接收被测物体的红外辐射，再由信号处理 系统转变为目标的视频热图像的一种技术。它将物体的热分布转变为可视图像，并在监 视器上以灰度或伪彩显示出来，从而得到被测物体的温度分布场信息。 根据斯蒂芬波尔兹曼定律： w = s o t 4 ( 1 1 ) 式中盯为斯蒂芬波尔兹曼常数；占为待测物体表面发射率系数；丁为待测物体 表面面的温度；形为物体表面总辐射强度。因此，不同物体具有不同的温度和发射系数， 热像仪接收来自物体的辐射，根据测定的物体表面温度场分布便可区分出不同的物体。 热成像测温技术有以下几个特点： ( 1 ) 能够对被测物体大面积扫描； ( 2 ) n 温迅速，无延迟； ( 3 ) 不会对被测设备或物体本身的物理特性产生任何影响【9 1 。 基于红外热成像技术研发的红外热成像仪可以将物体所发射出的红外线转换成可 见的温度图像，并用不同的颜色表示不同温度。该技术最早出现于二战时期，德国人用 红外变像管作为光电转换器件，研制出了主动式夜视仪和红外通信设备，为红外技术的 发展奠定了基础【1 0 】。六十年代初期，瑞典的a g a 公司成功研制出第二代红外成像装置， 它在红外寻视系统的基础上增加了测温的功能，称之为红外热像仪。到了九十年代，红 外热像仪体积不断小型化，更加便携，并将温度的测量、分析、图像采集、修改、存储 融合为一体，红外热像仪的精度、功能和可靠性都得到了很大的提高【1 1 】。 二十世纪七十年代，中国开始了红外热成像技术的相关研究。八十年代末，中国已 经成功研制出实时红外热成像仪，其温度分辨率、灵敏度都达到很高的水平。进入九十 年代，中国在红外成像设备上使用低噪声宽频带前置放大器、微型致冷器等关键技术方 面有了发展，并且从实验走向应用。近几年来，中国的红外成像技术得到突飞猛进的发 展，与西方的差距逐步缩小，有些设备的先进性也可同西方同步。如目前已能生产面积 小于3 0 l a n 2 的1 0 0 0 x 1 0 0 0 像素的探测器阵列，由于采用了基于锑化铟的新器件，目前已 4 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 达到了分辨率小于o 0 1 的温差，使对目标的识别达到更高的水平1 1 1j 。 由武汉高德红外股份有限公司生产的5 台红外热像仪于2 0 0 8 年6 月2 日在唐家山 堰塞湖装配成功。这些红外热像仪能在完全无光线的漆黑夜里，对目标实现清晰监控 并将实时图像传回抗灾指挥部，使存在溃堤危险的唐家山堰塞湖有了全天候的“天眼”。 这种由我国自主研发、具有完全知识产权的红外热像仪具有分辨率高、反映灵敏、能远 距离成像的特点，红外成像可达1 1 万像素，能分辨0 0 l 的温度差，能在完全无光 的夜里或有浓雾等复杂天候条件下，清楚看到l k m 外的物体。 红外热成像技术具有非介入式测量、安全性高等优点，自上世纪七十年代出现以来， 红外热成像技术发展迅速，已经从军事领域迅速延伸到民用领域。随着科学技术的飞速 发展，红外热成像仪的成本已经大大降低，应用领域也不断延伸1 2 】【2 9 】【3 0 】【3 1 1 。 目前，红外热成像技术被广泛应用于实际生产当中。在建筑节能减排方面，通过红 外热成像技术分析建筑的热传导损失、热对流损失、受潮、渗漏、外墙饰面质量检测等。 在电力行业，电气接头裸露，设备内部电气连接或触头接触不良，电力设备内部故障发 热，可以通过获取设备的热分布图，进行分析判断【1 3 1 1 1 4 】【15 1 。 在液位的检测方面，红外检测技术已成功应用于储罐液位的枪测i i6 ，见下图1 2 。 图1 2 储罐液位测量红外图像 f i g u r e1 - 2 i n f r a r e df i g u r eo fs t o r a g el e v e lm e a s u r e m e n t 然而，通过红外热成像技术检测管线内的积液高度，国内外研究甚少。 1 4 本文的主要研究内容 本文拟在学校现有的实验环道基础上，加设部分实验管段，通过模拟和实验得到分 s t 屯 t t 第一章绪论 层流管道在加热后外管壁的温度梯度，分析温度梯度得出管路内的积液高度，从而得出 管线的持液率，为清管周期的确定提供理论基础。 本文具体研究内容如下： ( 1 ) 建立两相管流换热模型，通过f l u e n t 软件数值计算，确定不同液位在不同气 体流速，不同加热时间下，集输管内气相和液相间的温度梯度以及管外壁温度梯度，并 分析总结在各种不同工况下的规律，为实验提供理论支持。 ( 2 ) 设计加工实验管段，通过大量实验，验证f l u e n t 软件模拟的计算结果。 ( 3 ) 分别在由2 0 0 和巾5 0 0 管线上进行静态实验，分析验证在气液不流动的情况下， 管壁加热后，管外壁的温度梯度，确定最佳的加热时间，并找出判断积液的合适算法。 ( 4 ) 在巾2 0 0 管线上进行动态实验，分析验证在气液分层流动，液位、气体流速及加 热时间不同等各种不同工况下，管外壁温度梯度分布规律。 ( 5 ) 开发红外热图像处理和解释系统，红外热像仪拍摄管外壁红外图像，分析管外壁 温度梯度，通过合适的算法得出管路内积液高度。 ( 6 ) 通过分析管路内积液高度，确定管内持液率，从而确定清管周期，为管线安全高 效运行提供保障。 6 中国油人学( 华东) 硕 ：学位论文 第二章两相分层流换热f l u e n t 数值模拟 2 1 管线红外积液检测技术原理 计算机处理一 图2 1 红外积液检测原理不意图 f i g u r e2 - 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fp i p e l i n el i q u i dl o a d i n gi n f r a r e dm o n i t o r i n g 上图2 1 为红外积液检测技术原理。输气管道在经过一定时间的运行后，管道内的 凝析液和气达到温度平衡，任一横截面的温度应趋于稳定，管壁上温度均衡，不存在温 度梯度。液体和气体比热容的差别很大，采用加热或制冷的方式可以打破管壁上的温度 平衡，鉴于对管线加热在实验室比较容易实现，后续模拟实验研究通过加热管线的方式 来判断管内积液高度。 采用加热膜在管外壁给定以恒定的热流密度q ，热量通过管壁传给管内的气和水， 由于水的热容较大，从管壁吸收更多的热量；气的热熔较小，从管壁上吸收的热量相对 较少，当加热一定的时间后，气液界面上下两部分的管壁温度梯度明显，使用热成像仪 测量管道表面温度分布，就可以得出管壁上温度梯度分布，从而判断管内积液的高度。 在管外壁给管线施加一恒定热流密度，热量会在钢管壁轴向，周向，径向三个方向 上传热。如下图2 2 所示，管道内径d ，壁厚t ，管内液体( 水) 高度h ，管内气体流速v g ，液 体流速v l ，周围环境温度t o ，管内气液的初始温度t s ，加热带宽度l ，热流密度为q 。 流动方向 图2 - 2 换热模型示意图 f i g u r e2 - 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f h e a tt r a n s f e rm o d e l 7 垦 第二章两相分层流换热f l u e n t 数值模拟 建立柱坐标系下两相分层流圆三维非稳态导热微分方程式： p c 0 坦o r r0 引rl ，署一鲁+ 允窘 ( 2 - t ) 一一 厂石j + 7 万“万 【2 。1 钢管壁会在周向、轴向和径向三个方向有热量传递，采用f l u e n t 软件模拟的方式 求解管壁横截面及管外壁温度场【1 7 】。 2 2f l u e n t 数值模拟 2 2 1 几何模型建立 采用对实验进行仿真的方式，验证实验的可行性，确定最佳的实验方式，用g a m b i t 软件建立的几何模型如下图2 3 ： 图2 3g a m b i t 建立的模型 f i g u r e2 - 3 m o d e lc r e a t e db yg a m b i t 主体路线外径2 0 0 m m ，长10 0 0 m m ，壁厚15 m m ，管子两端上部接直径6 0 m m 的细管 作为入口和出口。管壁区域为s o l i d ，管壁内部为f l u i d 区域，固体和流体区域间有w a l l 和 w a l l s h a d o w 耦合界面，用于流体和固体区域进行热耦合。 2 2 2 多相流模型的选择 目前基于连续介质类的多相流的研究方法有欧拉拉格朗日方法和欧拉欧拉方法。 f l u e n t 中基于欧拉拉格朗日方法的模型适合于计算离散多相流动，基于欧拉欧拉方 法的模型适合于一般的多相流动。本文研究一般的多相流动，采用基于欧拉欧拉方法 的模型。f l u e n t 中基于欧拉欧拉方法的模型有v o f 模型、混合模型和欧拉模型【1 8 1 。 1v o f 模型 v o f 模型在整个计算域内对不互溶流体求解同一动量方程组并追踪每种流体的体 积分数来模拟两种或三种不能混合的流体。典型的应用包括预测、射流破碎、流体中的 8 中国白油大学( 华东) 硕士学位论文 大泡运动、决堤后水流动和气液界面的稳态和瞬态处理。在f l u e n t 中使用v o f 模型存 在以下一些限制： ( 1 ) 必须使用压力求解器，v o f 模型不能使用基于密度求解器； ( 2 ) 所有控制体积必须充满单一流体相或者相的联合，v o f 模型不允许在那些空的 区域中没有任何类型的流体存在。 ( 3 ) 只有一相是可压缩的理想气体，对使用u d f 定义的可压缩液体没有限制； ( 4 ) 周期流动( 比质量流率或比压降) 问题不能用v o f 模型同时计算； ( 5 ) 组分混合和反应模型不能用v o f 模型同时计算； ( 6 ) 大涡模拟湍流模型不能用于v o f 模型； ( 7 ) - - 阶隐式的t i m e - s t e p p i n g 公式不能用于v o f 模型； ( 8 ) v o f 模型不能用于壁面壳传导模型和无粘流1 1 9 1 ； 2 混合模型 混合模型是一种简化的多相流模型，模拟的多相流各相用有不同速度，但是假定了 在短空间尺度上局部的平衡。相与相之间的耦合作用很强，它也可用于模拟有强烈耦合 的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。还可以用于计算非牛顿流体的粘性 系数，混合模型允许各相相互穿插，在一个控制容积内任意相的体积分数可以取0 1 之 间的任意值。典型的应用包括沉降、旋风分离器、低载荷粒子流，以及气相分数很低的 泡状流【2 0 1 。 混合模型是欧拉模型的简化。但该模型有以下应用限制。 ( 1 ) 必须使用压力求解器； ( 2 ) 只有一相是可压缩理想气体，如果使用u d f 定义，对可压缩液体的使用没有限 制； ( 3 ) j i l 页流向周期性流动不能使用指定质量流量率方法； ( 4 ) 不能模拟凝结和熔化； ( 5 ) 如果使用气穴模型，本就不能使用l e s 湍流模型； ( 6 ) 使用m r f 时不能使用相对速度公式； ( 7 ) - - 阶隐式时间步算法不能用在混合模型中； ( 8 ) 无粘流不适合采用混合模型。 3 欧拉模型 欧拉模型是f l u e n t 软件里最复杂的多相流模型，欧拉模型模拟由液体、气体和 o 第二章两相分层流换热f l u e n t 数值模拟 固体的任意组合组成的互相分离但又相互作用的多个相的运动。欧拉模型对每一相使用 欧拉方法描述和处理，假设各相共享相同的压力，求解多个连续性方程和动量方程，通 过相交换系数和压力对方程组进行耦合。在该模型中，只有计算机内存和守恒准则的限 制会影响第二相的数量 使用该模型有以下限制： ( 1 ) 仅限于k s 湍流模型； ( 2 ) 粒子跟踪时仅考虑相问的相互作用； ( 3 ) 该模型不能用于s t r e a mw i s ep e r i o d i cf l o w ； ( 4 ) 对可压缩流不适用； ( 5 ) 对无粘流不适用； ( 6 ) 对时间步不能采用二阶隐式格式； ( 7 ) 对粒子混合和反应流动不适用； ( 8 ) 对凝固和熔化不适用； ( 9 ) 不能考虑热传递。 4 多相流模型的确定 对以上多相流模型分析看出，v o f 模型适用于有清晰的相界面的流动，主要用于带 自由界面问题的计算。欧拉模型和混合模型适合于分开的流动或者多相混合或者分散相 的体积分率大于1 0 的流动。本文模拟气液两相流分层流动的问题，所以不适用欧拉模 型或者混合模型，选用v o f 模型合适。v o f 模型一般用于瞬态模型，只有在求解不依赖 于初始条件，且对每一相有独立的入流边界的情况下，稳态的v o f 计算才能有意义。本 文模拟瞬态气液两相流分层流动及换热的问题，所以采用v o f 模型最适合该问题的求 解。 2 2 3 湍流模型的选择 f l u e n t 软件中含有多种湍流模型，k s 模型是数值计算中最常用的比较成熟的湍流 模型，该模型包括标准k s 模型( t h es t a n d a r dk 占m o d e l ) 、带旋流修正k 占模型 ( r e a l i z a b l ek 占m o d e l ) 、r n gk s 模型和k c o 模型系列，表2 1 是湍流模型功能表。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕j 学位论文 表2 1 湍流模型功能例表 t a b l e 2 1t h ef u n c t i o no f t u r b u l e n tf l o w 模型功能与主要使用范围 混合长度模型零方程模型，模拟简单的湍流，计算量小 针对大网格的低成本湍流模型，适于模拟中等复杂的内流河外流及压力 s p a l a r t - a l l m a r a s 梯度下的边界层流动( 如螺旋桨、翼型、机身、导弹和船体等) 标准k f鲁棒性最好，优点和缺点明确，适于初始迭代、设计选型和参数研究 适于设计快应变、中等涡、局部转捩的复杂剪切流动( 如边界层分离、 r n gk s 块状分离、涡的后台阶处理、室内通风等) r e a l i z a b l ek g 与r n gk s 性能类似，计算精度优于r n gk s 模型 在模拟近壁边界层、自由剪切和低雷诺数流动时性能更好，可以用于模 标准k 一国 拟转捩和逆压梯度下的边界层分离( 空气动力学的外流模拟和旋转机械) k g 模型是个半经验公式，是从实验现象中总结出来的，是目前最常用的湍流模型， 该模型适用范围广、精度合理、比较经济，在工业流场和热交换模拟中有着广泛的应用。 本文模拟气液两相层流以及换热问题，k s 模型具有较好的计算稳定性、经济性和计算 结构的准确性，因此本次数值模拟采用k s 模型。 2 2 4 网格单元划分 高质量的网格是获得比较理想的数值模拟结果的前提条件。用f l u e n t 做数值模拟 时，模型计算网格一般是在其前处理软件g a m b i t 中划分的。g a m b i t 允许用户采用如下表 2 2 所示的单元类型进行三维网格划分： 表2 - 2 网格划分类型表 t a b l e 2 - 2t h et y p eo fg r i dd i v i d i n g 选项详细说明 h e x 指定网格仅仅包含六面体网格单元 指定网格主要由六面体网格单元组成，但是也包括在适当的位置的楔形 h e x w e d g e 网格 指定网格主要由四面体网格单元，但是在适当的位置可以包含六面体、 t e t h y b i r d 楔形和锥形网格单元 用g a m b i t 软件对计算区域进行网格划分，在保证精度的前提下，为减少计算时间， 尽两控制网格的数量。由于管道比较规整，不需要对局部加密，故采