第二部分多相混输瞬态技术.ppt

数值算法 数值求解依据动态自适应交错网格，当软件不跟踪段塞体或清管器，只作为普通的三相流模拟时，网格运动速度自动设置为零，即使用固定网格。运动网格与液塞前端以相同的速度运动，这简化了平衡方程的数值算法。使用动态网格时，液塞前端总是位于网格节点上，这意味着求解平衡方程时只需处理一个前端参数。动态网格改进和简化了对段塞的模拟和跟踪。 软件中对时间积分分三步进行。第一，根据前一时间步长的计算结果预测流型，同时计算摩阻系数；第二，同时求解三个动量方程和体积方程。若管线中存在液塞，则根据新的相速度计算液塞速度，在新的压力下计算流体性质；第三，分别求解三个质量守恒方程。更新运动网格，即插入和移走液塞，网格以新的速度运动，这一时步的计算结束。对时间采用一阶的隐式欧拉算法，这样模型能够跟踪段塞的头部和尾部，而不会产生数值耗散。时间步长受稳定性条件——CFL准则的约束。 * 根据对平衡方程在运动控制体上的积分进行有限差分。算法对空间采用迎风格式，对时间采用隐式格式。采用交错网格离散方程。质量、压力和温度等参数存储在控制体中，速度和通量存储在控制体的边界上。 实验测试 用PeTra模拟地形起伏段塞流，并与实验结果进行比较。尽管模型没有考虑混入段塞体的气泡，但预测结果与测量值的吻合很好。 应用PeTra软件模拟三相流，与Troll油田的现场数据比较，结果显示模拟精度较高。 * 2、简化模型二 Minami等人采用Taitel等人的两个重要假设，依据段塞流动稳定性原理，提出适用于瞬态两相流动新的流型转换准则，采用半隐式算法代替原来的显式算法，从而得到改进的Taitel简化模型。 模型的动量方程也依赖于流型。对于层流，动量方程与(2-77)式相同。对于段塞流，采用与Dukler等人类似的分析。管线总的压降梯度由下式求得： 相似地可推导出环状流和气泡流稳态模型。 * 瞬态流型判别 Minami认为用于预测瞬态流条件下流型转换边界的现有方法并不充分。因此研究了一种新的用于预测瞬态流流型的方法。建立于段塞流结构的稳定性之上。这个方法首先假设存在段塞流，然后确定段塞流特征参数。 首先要求的两个段塞流参数为段塞体持液率和段塞速度。这两个方程必须同时求解。如果发现比局部平均持液率低，则膜区的持液率一定比段塞体的持液率大，而这在物理上是不可能存在的。若发生这种情况，须假定流型为分散气泡流，因为平均持液率比正常段塞体中的持液率高。 * Scott和Kouba(1990)认为，若用堆积的六面体近似球形气泡，则段塞体的最小持液率为0.26；Barnea和Braaner(1985)建议使用立方体近似，则持液率为0.48，若计算的小于0.26，则假定流型既非气泡流也非段塞流，而应为分层流或环状流。总之，对的分析可得到流型转换准则: 在上述边界之外 ,则可由段塞流模型求得其它的段塞特征。由参数得出其它的流型转换边界。 如果 则流型为分散气泡流； 则流型为分层流或环状流。 如果 * 这个方法能根据持液率判断出唯一可能的流型，流型转换中液体速度的非连续区很小。这种确定瞬态两相流流型的方法也适用于稳态条件。 改进的简化瞬态模型由方程(2-71)、(2-72)、(2-75)至(2-79)和流型转换准则组成。采用半隐式算法，计算机求解比较方便。完全隐式算法允许采用大的时间步长，但给编程带来很大困难。而且微分方程是非线性的，需要迭代求解隐式格式的解。因而隐式算法的速度并不一定比显式快。改进方法根据压力和流量边界条件，对气液连续性方程采用向后差分，对压力方程采用向前差分。 * 六、油气管线的瞬态模拟 石油是烃和非烃的多组分混合物，相间存在气液平衡，对此应有 * 第三章 瞬态过程分析 一、流型转换 当变化十分缓慢或变化过程接近一系列准稳态时，过程的流型变化与稳态条件下的变化相同。若变化较快，则发生流型转换的条件不同，而且还有可能出现稳态过程没有出现的流型。因而在瞬态条件下的流型转换与稳态条件下的转换不同，这已由实验和理论所证实。 模拟瞬态流动条件下的流型转换的方法与稳态却是类似的。首先需要预测稳定分层流动液位。但瞬态条件下的液位是管长和时间t的函数，扰动液位的稳定性是流型转换的基础。其实稳态流型的转换也取决于管内液位。瞬态条件下的流型转换与稳态的差别由瞬态过程的性质确定。 * 瞬态条件下的液位方程 ：在瞬态不稳定条件下，气液界面是在不断波动的，液位、平均气液速度都是管长和时间的函数。假设液体不可压，并且气液没有质量传递，则液相的质量守恒方程和动量守恒方程可表示为： * 流型转换 改变液体流速 改变气体流量 :在气体流量变化较快的瞬态过程中，液位和液体速度的响应很慢。气体速度已经变化很大，达到流型转变准则中的临界流速