水平管段塞流特性及參數研究方法討論

曹沙沙，李施放，唐 琪，羅曉坤

（1.西安石油大學，陜西 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）

在常規生產中的水平管路中的流型大體上可分為：分層流、環狀流、氣泡流和本文的重點研究對象段塞流。段塞流本質上可以理解為是氣柱和液柱交替向前流動的一種流型，在水平管路中段塞流形成的原因是因為本來分層流動的氣相和液相在達到平衡以后由于氣相液相的流動特性不同，穩定被破壞，氣相不斷地對液相進行吹掃擾動了氣液兩相的邊界形成了波浪流，形象地講就像風與浪的關系，風不斷掠過海平面而形成了浪，當浪高足以填充管路的時候便形成液塞，也就形成了段塞流。在了解了當前的研究成果以后我們發現描述段塞流流動的參數主要為液塞的長度、速度和頻率，此外各部分的截面含氣率以及氣泡的速度等也都是要考慮的。

1 數值模擬

數值模擬是隨著信息時代到來應運而生的一種有效的科研手段，目前可以說是所有理工類學科的背后都有數值模擬在支撐。本文的重點研究對象在大方向上可以歸為以計算流體力學動力學分析為理論基礎的多相流流動特性及參數研究。

以目前行業內比較熱門的數值模擬軟件FLUENT 的基本操作步驟為例，首先我們要創建一個水平管路的幾何模型然后進行網格的劃分，在加密網格驗證網格無關性以后就可以設置求解器及操作條件了，根據我們的研究對象段塞流進行物理模型的設定以后還需要根據材料性質設定邊界條件。以上操作完備以后就可以用計算機進行大量數據的計算了，這時我們可以監視求解過程并進行求解設置。整個過程環環相扣，等待運算完成以后我們可以直觀地看到許多平時的實驗難以監測的數據。操作框圖如圖1。

圖1 數值模擬操作步驟

2 實驗研究

實驗研究一直以來都是一種比較有說服力的研究方法，自然科學的建立可以說是離不開實驗研究的，但是隨著時代的發展，人們認知這個世界廣度變大的同時也對事物產生了更深的認知，因此一些現代的學科很難再用實驗來完美的論證，段塞流就是這樣，它的不穩定性讓實驗人員難以在實驗室中將它穩定地締造出來，因此對于這一課題實驗人員只能采用最常用的流量平均值法來實現穩定，在這個過程中液塞的長度、速度、頻率、持液率以及單元長度可以被穩定描述。

按照傳統的實驗操作流程，首先我們要確定用于實驗測量的裝置、實驗操作過程中的工況參數還要確保能夠順利采集我們需要的實驗數據。整個準備工作好了以后就可以開始搭建實驗平臺并熟悉整個操作流程，此外保證整個實驗的安全永遠是第一位的，按照事先預定好的流程進行實驗并采集數據，最終整理好實驗數據就可以依照現有的理論或公式對我們想要觀測的參數進行處理了。圖2 所示便是傳統意義上的實驗操作流程，同樣適用于水平管路中段塞流特性的研究。

圖2 實驗研究操作步驟

3 總結

無論是哪種研究方法都會有自身的長處和短板，許多科研人員為了強調科學研究的科學性是會從多個維度尋找證據來佐證自己整個科研成果是可信的，在段塞流這一不穩定的流型身上我們值得做更多工作來為石油行業的進展做出貢獻。

單就數值模擬這一方面來看，節省了多方面成本這一優勢是顯而易見的，我們只需要準確地輸入我們預設的各項條件，其余全部由計算機代勞，而且整個過程以目前的技術來看我們是可以全程監視求解過程的，這在一定程度上增加了我們數值模擬的說服力。但是數值模擬的不足其實也在于說服力，從某種意義上來講終歸是一紙空談，在沒有實際模型的背景下很難完美地用數據來認定成果是無誤的，而且數值模擬最大的困難是模擬軟件的完成，這需要前期大量的投入，而且數值模擬軟件的操作難度相對來說并不是很小，需要系統的學習和深入的理解，中間一個環節出現問題后整個模擬都會宣告失敗，而且尋找紕漏也不是一個容易的過程。

而另一方面的實驗研究，顯然實驗設備的高投入是必然的，而且操作過程繁瑣，尤其是對于水平管路段塞流這種難以監測的不穩定流型就更加難以求得準確的數據，但是實驗法用于水平管路段塞流分析的優勢在于水平管路最容易實現，而且在空間允許的情況下完成的實驗從某種程度上是可以代替實際生產的模型來完成模擬。