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水平及傾斜圓管中油水兩相分層流界面波對(duì)摩擦壓降的影響
（論文部分內(nèi)容摘抄）
油水兩相流在重力和界面張力共同作用下發(fā)生分層,由于剪切應(yīng)力的作用,在管道流動(dòng)中產(chǎn)生摩擦壓降,油水兩相分層流在流動(dòng)參數(shù)改變時(shí)產(chǎn)生界面波,其對(duì)摩擦壓降產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)研究水平和傾斜管道油水兩相波狀分層流界面波特性及其對(duì)摩擦壓降的影響,并改進(jìn)一維雙流體模型預(yù)測(cè)摩擦壓降。研究結(jié)果表明,管道傾角增加時(shí)油水兩相分層流界面波振幅增大,其對(duì)摩擦壓降的影響也隨之增強(qiáng),改進(jìn)的考慮界面波振幅的模型在不同管道傾角中的摩擦壓降預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合好。
分層流是水平和傾斜管道中兩相流的基本流型,而波狀分層流由于界面發(fā)生波動(dòng)而產(chǎn)生界面波增加流動(dòng)的復(fù)雜性。油水兩相流實(shí)驗(yàn)研究表明,油水兩相流管道從水平變成傾斜時(shí),油水兩相分層流達(dá)到的比較大流速減小,油水界面變得更加起伏和不規(guī)則!
油水兩相波狀分層流在相同流量和含水率下隨著管道傾角改變而發(fā)生界面波振幅改變,但現(xiàn)有文獻(xiàn)包括實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究沒有考慮界面波對(duì)摩擦壓降的影響。本文利用實(shí)驗(yàn)中測(cè)量得到的不同傾角中的界面波和壓降,研究油水兩相波狀分層流界面波對(duì)摩擦壓降的影響。
實(shí)驗(yàn)過程中通過控制系統(tǒng)設(shè)定管道傾角,給定油水兩相混合流量以及含水率,由計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行流動(dòng)控制。油水兩相分層流動(dòng)特征采用高速攝像系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,試驗(yàn)測(cè)試段總壓降使用差壓計(jì)測(cè)量和記錄,管道截面持油率利用快關(guān)閥技術(shù)進(jìn)行采集得到。
高速攝像系統(tǒng)，采用的德國Excelitas PCO 公司的pco.dimax高速相機(jī)，曝光短快門為1μs，拍攝條件為512像素x 512像素，拍攝速度為5000fps。試驗(yàn)開展了4種管道傾角θ分別為0°、3°、5°和10°的油水兩相分層流動(dòng)特性研究。每次試驗(yàn)在流動(dòng)穩(wěn)定達(dá)到5min后進(jìn)行壓降測(cè)量和流動(dòng)特征圖像采集以及截面持油率。測(cè)量,為消除系統(tǒng)和隨機(jī)誤差,每前列動(dòng)重復(fù)2次試驗(yàn)。
油水兩相流動(dòng)的總壓降由摩擦壓降、重力壓降和加速壓降組成,在常溫流動(dòng)中可以忽略加速壓降水平管道中由于重力垂直管道,因而摩擦壓降即為總壓降;當(dāng)管道發(fā)生傾斜時(shí)摩擦壓降為總壓降與重力壓降之差。油相兩相波狀分層流摩擦壓降的產(chǎn)生是由于流體存在剪切應(yīng)力,而剪切應(yīng)力由流速、管徑、黏度、管壁粗糙度和兩相接觸面積等參數(shù)決定。
(1)油水兩相分層流在重力、表面張力和湍流共同作用下產(chǎn)生界面波,在水平和3°上傾管道中，界面波振幅隨著人口流量的增加而增大:在5°和10°上傾管道中界面波振幅隨流量增加而變化微小但隨截面持油率降低而減小。隨著管道傾角增加，其對(duì)界面波振幅的影響增大。
(2)油水兩相波狀分層流摩擦壓降隨流量增加而增大;在中高持油率時(shí),隨著管道傾角增加,摩擦壓降增大。流量較低時(shí),摩擦壓降受管道傾角影響,表明油水兩相界面波振幅對(duì)摩擦壓降的影響較大。
(3)基于油水兩相界面波振幅,表明考慮管道傾角和界面持油率對(duì)界面波振幅影響的改進(jìn)模型能夠更加精確地預(yù)測(cè)油水兩相分層流摩擦壓降。
德國Excelitas PCO 公司的pco.dimax高速相機(jī)，具備高分辨率、高感光度、高幀率的優(yōu)點(diǎn)，將高速實(shí)驗(yàn)過程完美記錄，為實(shí)驗(yàn)提供強(qiáng)而有力的圖像數(shù)據(jù)支持。
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