油水兩相分散流的液滴特征與壓降規(guī)律研究.pdf

1、油氣水多相流廣泛存在于石油工業(yè)中,由于管內(nèi)多相流動的復(fù)雜性,迄今為止還沒有完全成熟的理論模型,研究結(jié)果具有一定的局限性。油水兩相流研究是油氣水多相流研究的基礎(chǔ),油水兩相分散流是油水兩相流中一種重要的流型,主要特點(diǎn)是分散相以一定的液滴粒徑及其分布分散在連續(xù)相中。液滴的大小、數(shù)量、相界面濃度及其分布會對油水混合粘度、管道壓降等產(chǎn)生重要影響,終端油水分離設(shè)備的設(shè)計也依賴于油水粒徑及其分布數(shù)據(jù),因此,建立更為精確的油水兩相流模型具有十分重要的意

2、義。
　　 建立和完善了可控溫油水兩相流實驗環(huán)道和多相流實驗環(huán)道,自制了等動量取樣裝置,采用高速攝像、激光粒度儀和顯微照相與等動量取樣裝置配合三種方法,通過在線和取樣兩種方式獲取了油水兩相流中液滴粒徑數(shù)據(jù)。采用三種不同粘度的白油和一種原油共四種油品和水作為實驗介質(zhì),通過改變溫度、流量、相含率等流動參數(shù),對不同工況下油水兩相分散流液滴粒徑及其分布和壓降規(guī)律等進(jìn)行了研究,探索了油水界面微觀特征及其對宏觀流動特性的影響。
　　

3、 實驗研究了油水混相進(jìn)入管道時分散流液滴粒徑分布及特性,獲得了W/O型和O/W型分散流液滴粒徑的分布規(guī)律。實驗結(jié)果表明,Frechet分布均能較好的描述實驗獲得的粒徑分布規(guī)律,部分工況下Frechet分布要優(yōu)于Log-Normal分布,Normal分布則不能表征本實驗數(shù)據(jù)的變化規(guī)律?；旌狭髁?、溫度、相含率、油品物性和表面活性劑等多種因素影響液滴粒徑的分布和特性,液滴粒徑隨著混合流量的增大和油品粘度的升高呈現(xiàn)出減小的趨勢,隨著溫度和相含率

4、的升高呈現(xiàn)出增大趨勢;表面活性劑的存在對液滴粒徑的大小、分布和穩(wěn)定性有重要影響。
　　 通過實驗和理論分析探索了液滴形成過程、形成機(jī)理和形成穩(wěn)定液滴的平衡時間。研究發(fā)現(xiàn),液滴破碎時間約為8～20ms,破碎頻率約為25～62.5Hz,聚合的時間約為2ms。油水混相進(jìn)入管道形成穩(wěn)定液滴的平衡時間遠(yuǎn)大于油水分相進(jìn)入管道的情況,泵的轉(zhuǎn)速越大,平衡時間越短。
　　 基于湍流脈動動能與乳狀液的界面能之間的能量平衡,考慮管流徑向速度脈

5、動與摩擦速度之間的關(guān)系和泵的剪切作用,建立了油水兩相管流中分散相液滴Sauter平均直徑預(yù)測模型。預(yù)測模型計算結(jié)果與多組實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比,吻合較好。預(yù)測模型也預(yù)測了只有管道剪切作用下的液滴粒徑,比在有泵作用時的Sauter平均直徑大10～100倍左右,泵的剪切和擾動作用使液滴粒徑更小,對液滴粒徑及其分布有顯著作用。
　　 比較大、小兩套環(huán)道實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),油水注入方式不同,分散流流型邊界不同。油水混相進(jìn)入環(huán)道時,分散流的范圍擴(kuò)大

6、。采用FLUENT模擬了管內(nèi)的油水截面相分布,隨著流量的增大,截面相分布趨于均勻。壓降梯度受含油率、混合流量、溫度、油品粘度和表面活性劑等多種因素影響。隨混合流量和外相粘度的增大,壓降梯度增大;隨溫度升高,壓降梯度基本呈減小趨勢。含油率不同、是否存在表面活性劑,都會影響壓降梯度,液滴粒徑和數(shù)量對壓降梯度也有一定影響。并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)討論了含油率、混合流量和溫度對管內(nèi)油水混合粘度的影響。
　　 油水相界面微觀特征會影響壓降梯度和油水