2002年 第26卷 石油大学学报(自然科学版) Vol.26 No.5 第5期 JournaloftheUniversityofPetroleum,China Oct.2002
文章编号:1000 5870(2002)05 0123 04
综述
气液两相瞬变流的流固耦合研究
周晓军,宫 敬
(石油大学石油天然气工程学院,北京102249)
摘要:论述了国内外气液两相瞬变流流固耦合的研究成果及现状,阐述了气液两相瞬变流的流动规律和流固耦合研究的各种方法。评述了气液两相瞬变流、流固耦合等方面的理论模型和数值计算方法,并对不同模型和数值方法进行了比较和分析。指出了目前两相瞬变流流固耦合研究中存在的问题,预测了流固耦合研究的方向应为两相流体瞬态时的流固耦合实验研究和耦合模型的数值计算方法研究。
关键词:气;瞬变流;流固耦合中图分类号:O359 文献标识码:A
引 言
油气混输技术是当前管道输送技术发展的重要方向之一,使用油气混输技术可以使油气田开发建设费用降低10%~40%[1],但在实际生产过程中,油气流的不稳定流动和管道变形(或运动)对其的互相作用(Fluid StructureInteraction,FSI),极大地改变了流体管道系统的特性,所以,必须考虑流体与管道的耦合效应。笔者对气液两相流的瞬态特性及流固耦合效应的研究工作进行总结概括。
密度有关,发展为Joukowsky经典水击理论。1913年,意大利人Allievi提出了水击过程的微分方程和图解分析方法,扩展和加深了Joukowsky经典水击理论。美国学者Streeter第一次使用特征线解法,在计算机上求解了考虑摩擦影响后的水击压力。20世纪70年代以来,瞬变状态下的气液两相管流研究在理论和实践中都取得了很大进展。Wylie和Streeter等对泡状两相瞬变流及自由空气的影响进行了研究,发现低压时自由空气会对压力波产生较大的影响[4]。Martin等也对汽泡状气液两相流中压力波的传播进行了研究[5]。Beattie等研究了分散结构气液两相流的压力传播问题[6]。Wiggert研究了含有自由空气的管道瞬变流动的模型和数值解法[7]。近20年来,Taitel、Bendiksen、Masella、Hewitt等对石油工业中遇到的气液两相流进行了大量研究[8~
10]
1 研究成果及现状
气液两相瞬变流的流固耦合研究涉及到气液两相流、瞬变流、流固耦合等多个学科。20世纪40年代,气相介质在共同流动条件下的流动规律。最初,他们借助单相流体的计算方法,把多相流假设为各向同性的混合物,忽略流型的影响,将其作为单相流体进行处理。20世纪70年代,流型对多相流计算的影响逐渐得到重视,不断出现新的流型转换准则。现今,人们用流动型态模型处理法研究气液两相流动,即将两相流分成几种典型的流动型态,然后按照不同的流动型态研究两相流的流动规律。
19世纪中叶,开始对管道流体瞬变流进行研究[2~3]。1898年,俄国学者Joukowsky在关于莫斯科市政供水系统的试验研究报告中,第一次证明了水管道内水击压力的大小与流速、水击波速及介质
收稿日期:2001 12 11
,并
开发出了一些瞬态模拟软件,如OLGA、TACITE、PLAC/ProFES、TRAFLOW、OWGAC等,可对多相流
管道上的大多数操作过程进行动态模拟,广泛应用于多相流管线的设计和运行控制等方面。经典水击分析中,只考虑了管道的弹性对压力波传播速度的影响,没有考虑管道的惯性和运动对波速的影响,当管道完全刚性地固定不动时,分析结果很准确。然而,实际管道系统不是固定不动的,需要把流体模型和管道结构模型综合起来,采用流固耦合(FSI)模型进行研究[11~
12]
。1956年,Skalak发现了在无穷多个波
动模态中,与水击波相对应的具有有限相速度的两个最低阶模态:流体压力波(Young波或水击波)和
作者简介:周晓军(1973-),男(汉族),湖北天门人,在读博士研究生,从事多相管流及油气田集输技术方面的研究工作。
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