一种耦合压力方程的双流体段塞流计算方法与流程

本发明是关于一种耦合压力方程的双流体段塞流计算方法，涉及气液两相段塞流动计算领域。
背景技术：
：段塞流是石油工业气液集输管道中常见的气液两相流型，因流体流动或地形等因素所诱发的管道中出现气液间隙流动的一种气液流动型态。液塞与气团交替出现的段塞流在管道中的流动，会引起管道中压力出现显著的波动，对管道出口端的设备冲击较大，使得管道内的流体流动存在极大的不稳定性。准确模拟预测段塞流动，实现对液塞频率与液塞量的精确捕集，对在石油工业生产中解决段塞流动所带来的流动不稳定性具有重要意义。同时，准确地模拟段塞流动规律，也是改进工艺流程、设计段塞捕集器工艺设备的重要技术支持。段塞流动，因其气液两相间歇在管道中流动，表现出在管道中交替出现单相与多相，使得其瞬变模拟过程复杂。目前，传统的段塞流模型较为复杂，需要对段塞单元内的液塞与液膜区分别建立守恒方程，进行求解。此外，传统的双流体模型单纯借助气体状态方程更新密度、或单纯依赖压力泊松方程更新速度，来进行压力修正存在的系统适应性等问题。技术实现要素：针对上述问题，本发明的目的是提供一种耦合压力方程的双流体段塞流计算方法，通过建立耦合压力方程的双流体模型，实现气液两相流动段塞流的准确模拟与预测。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种耦合压力方程的双流体段塞流计算方法，包括以下步骤：根据管道随时间的变形与流体流过管道速度变化的守恒关系，建立可压缩流体的压力平衡方程；建立气液两相流动段塞流动的双流体模型，其中，所述双流体模型包括气液两相流动段塞流动的连续性方程、动量方程及能量方程；求解由压力平衡方程、连续性方程、动量方程和能量方程构成的方程组，得到气液两相流动的段塞流随时间变化的状态参数。上述实施例中，可压缩流体的压力平衡方程：其中，i为管道内流体相个数，αi为i流体相的相分率，ρi为i流体相的密度，ui为i流体相的速度，ci为i流体相波速，p为管道压力，t为时间，x为管道轴向长度。上述各实施例中，气液两相流动段塞流动的连续性方程：其中，i为管道内流体相个数，αi为i流体相的相分率，ρi为i流体相的密度，ui为i流体相的速度，t为时间，x为管道轴向长度。上述各实施例中，气液两相流动段塞流动的动量方程：其中，i为管道内流体相个数，αi为i流体相的相分率，ρi为i流体相的密度，ui为i流体相的速度，p为管道压力，pgl为气液两相界面间压力，гi为i流体相与管壁的摩阻，гgl为气液两相在管道轴向的作用力，θ为管道与水平线间的倾角，g为重力加速度，t为时间，x为管道轴向长度。上述各实施例中，气液两相流动段塞流动的能量方程：其中，i为管道内流体相个数，αi为i流体相的相分率，ρi为i流体相的密度，ui为i流体相的速度，p为管道压力，ei为i流体相比内能，hi为i流体相的比总焓，θ为管道与水平线间的倾角，g为重力加速度，t为时间，x为管道轴向长度。上述各实施例中，气液两相流动的段塞流随时间变化的状态参数包括段塞流引起的压力、持液率、气相流速或液相流速。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过建立耦合压力方程与双流体模型，可实现气液两相流动段塞流的准确模拟与预测，改进了传统双流体模型单纯借助状态方程更新密度、或单纯依赖压力泊松方程更新速度，来进行压力修正计算存在的系统适应性问题；2、本发明通过建立耦合压力方程的双流体模型，来进行管道内段塞流动的模拟计算，可实现单相与两相流动模拟的自由切换，同时能够获得精度高且易于收敛的模拟结果；综上，本发明可以进行气液两相流动可压缩流体段塞流动液塞频率及液塞量的准确采集，主要应用于石油工业生产中解决段塞流动所带来的流动不稳定性问题的所须进行的段塞流模拟计算，以改进工艺流程，辅以段塞捕集设备的选型与设计等。附图说明图1为本发明实施例计算得到管道水力段塞随时间的形成与发展示意图；图2为本发明实施例计算得到t＝40s管道相分率及管道压力数据示意图；图3为本发明实施例计算得到t＝40s管道气液相速度数据示意图。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。本发明提供的耦合压力方程的双流体段塞流计算方法，包括如下步骤：1、根据管道随时间的变形与流体流过管道速度变化的守恒关系，建立可压缩流体的压力平衡方程：其中，i为管道内流体相个数(i＝1,2)，αi为i流体相的相分率，ρi为i流体相的密度，ui为i流体相的速度，ci为i流体相波速，p为管道压力，t为时间，x为管道轴向长度。2、在上述可压缩流体压力平衡方程的基础上，耦合气液两相流体的连续性方程、动量方程及能量方程，建立气液两相流动段塞流动的双流体模型，其中，双流体模型包括连续性方程、动量方程及能量方程，具体为：连续性方程：其中，i为管道内流体相个数(i＝1,2)；αi为i流体相的相分率，ρi为i流体相的密度，ui为i流体相的速度，t为时间，x为管道轴向长度；动量方程：其中，i为管道内流体相个数(i＝1,2)，αi为i流体相的相分率，ρi为i流体相的密度，ui为i流体相的速度，p为管道压力，pgl为气液两相界面间压力，гi为i流体相与管壁的摩阻，гgl为气液两相在管道轴向的作用力，若该作用力方向与流体流速方向相反则在其前符号为“+”，若该作用力方向与流体流速方向相同则其前符号为“-”，θ为管道与水平线间的倾角，g为重力加速度，t为时间，x为管道轴向长度；能量方程：其中，i为管道内流体相个数(i＝1,2)，αi为i流体相的相分率，ρi为i流体相的密度，ui为i流体相的速度，p为管道压力，ei为i流体相比内能，hi为i流体相的比总焓，θ为管道与水平线间的倾角，g为重力加速度，t为时间，x为管道轴向长度；3、可以选择一阶中心差分离散方程划分均匀网格，求解由压力平衡方程、连续性方程、动量方程和能量方程的方程组，最终可得到气液两相流动的段塞流的随时间变化的状态参数，包括持液率(图1)、压力(图2)及气液流速数据(图3)等。下面通过具体实施例验证本发明的耦合压力方程的双流体段塞流计算方法的可用性和准确性。如图1所示，随时模拟时间的增加，管道内的段塞流动能够准确被捕捉。图中可以清楚看出段塞流动的形成和发展过程，证明了本发明的计算方法可以捕捉到流动过程中的段塞流动。模拟40s后，满管呈现出段塞流稳定出现的状态；如图2所示，压力变化体现出段塞流阻力引起的管道内压力的显著下降；如图3所示，气相和液相流速的变化呈现出典型水力段塞流的特征。从实施例的结果可以看出，本发明可以准确地捕捉到多相管流中段塞流的生成和发展过程，包括段塞流引起的压力、持液率、气相流速、液相流速等参数的变化，可用性高，准确性好。本实施例的参数见表1，算例边界条件选择出口定压105pa。表1变量数值变量数值管径0.078m长度37m气相折算速度0.2m/s液相折算速度0.488气相密度1.205kg/m3液相密度1000kg/m3气相黏度1.796×10-5pa·s液相黏度1.39×10-3pa·s初始时刻入口气相含率0.048初始时刻入口液相含率0.952根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行适当的变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。当前第1页12