水平管段塞流特性及参数研究方法讨论

曹沙沙，李施放，唐 琪，罗晓坤

（1.西安石油大学，陕西 西安 710065；2.中石油塔里木油田公司，新疆 841000；3.中石油新疆油田公司，新疆 834000）

在常规生产中的水平管路中的流型大体上可分为：分层流、环状流、气泡流和本文的重点研究对象段塞流。段塞流本质上可以理解为是气柱和液柱交替向前流动的一种流型，在水平管路中段塞流形成的原因是因为本来分层流动的气相和液相在达到平衡以后由于气相液相的流动特性不同，稳定被破坏，气相不断地对液相进行吹扫扰动了气液两相的边界形成了波浪流，形象地讲就像风与浪的关系，风不断掠过海平面而形成了浪，当浪高足以填充管路的时候便形成液塞，也就形成了段塞流。在了解了当前的研究成果以后我们发现描述段塞流流动的参数主要为液塞的长度、速度和频率，此外各部分的截面含气率以及气泡的速度等也都是要考虑的。

1 数值模拟

数值模拟是随着信息时代到来应运而生的一种有效的科研手段，目前可以说是所有理工类学科的背后都有数值模拟在支撑。本文的重点研究对象在大方向上可以归为以计算流体力学动力学分析为理论基础的多相流流动特性及参数研究。

以目前行业内比较热门的数值模拟软件FLUENT 的基本操作步骤为例，首先我们要创建一个水平管路的几何模型然后进行网格的划分，在加密网格验证网格无关性以后就可以设置求解器及操作条件了，根据我们的研究对象段塞流进行物理模型的设定以后还需要根据材料性质设定边界条件。以上操作完备以后就可以用计算机进行大量数据的计算了，这时我们可以监视求解过程并进行求解设置。整个过程环环相扣，等待运算完成以后我们可以直观地看到许多平时的实验难以监测的数据。操作框图如图1。

图1 数值模拟操作步骤

2 实验研究

实验研究一直以来都是一种比较有说服力的研究方法，自然科学的建立可以说是离不开实验研究的，但是随着时代的发展，人们认知这个世界广度变大的同时也对事物产生了更深的认知，因此一些现代的学科很难再用实验来完美的论证，段塞流就是这样，它的不稳定性让实验人员难以在实验室中将它稳定地缔造出来，因此对于这一课题实验人员只能采用最常用的流量平均值法来实现稳定，在这个过程中液塞的长度、速度、频率、持液率以及单元长度可以被稳定描述。

按照传统的实验操作流程，首先我们要确定用于实验测量的装置、实验操作过程中的工况参数还要确保能够顺利采集我们需要的实验数据。整个准备工作好了以后就可以开始搭建实验平台并熟悉整个操作流程，此外保证整个实验的安全永远是第一位的，按照事先预定好的流程进行实验并采集数据，最终整理好实验数据就可以依照现有的理论或公式对我们想要观测的参数进行处理了。图2 所示便是传统意义上的实验操作流程，同样适用于水平管路中段塞流特性的研究。

图2 实验研究操作步骤

3 总结

无论是哪种研究方法都会有自身的长处和短板，许多科研人员为了强调科学研究的科学性是会从多个维度寻找证据来佐证自己整个科研成果是可信的，在段塞流这一不稳定的流型身上我们值得做更多工作来为石油行业的进展做出贡献。

单就数值模拟这一方面来看，节省了多方面成本这一优势是显而易见的，我们只需要准确地输入我们预设的各项条件，其余全部由计算机代劳，而且整个过程以目前的技术来看我们是可以全程监视求解过程的，这在一定程度上增加了我们数值模拟的说服力。但是数值模拟的不足其实也在于说服力，从某种意义上来讲终归是一纸空谈，在没有实际模型的背景下很难完美地用数据来认定成果是无误的，而且数值模拟最大的困难是模拟软件的完成，这需要前期大量的投入，而且数值模拟软件的操作难度相对来说并不是很小，需要系统的学习和深入的理解，中间一个环节出现问题后整个模拟都会宣告失败，而且寻找纰漏也不是一个容易的过程。

而另一方面的实验研究，显然实验设备的高投入是必然的，而且操作过程繁琐，尤其是对于水平管路段塞流这种难以监测的不稳定流型就更加难以求得准确的数据，但是实验法用于水平管路段塞流分析的优势在于水平管路最容易实现，而且在空间允许的情况下完成的实验从某种程度上是可以代替实际生产的模型来完成模拟。