Investigation on Flow Characteristics and Influence Factors of Slug Flows in a Pipeline-Riser System

立管系统作为海洋工程最重要的结构单元之一，被广泛应用于石油天然气资源的开采、输运过程中。在本文工作中，重点研究了化学药剂及环境温度等变化对段塞流动的影响，给出了段塞流动的流动参数、气泡分布状态、以及流动演化过程等，通过引入加速压降，建立了更加精确的压降理论预测模型；针对严重段塞流动，给出了流型识别方法、化学药剂对流动特性的影响规律、以及无量纲参数间的变化关系等，为给定入口条件下，预测管路流动状态奠定了理论基础。对于立管系统段塞流动，添加表面活性剂可以显著改变液相介质中的气相分布特征，并且对大气弹在立管中的生成过程起阻碍作用；由于气液表面张力降低，气泡尺寸大幅减小且形状更加趋近于均匀；液塞速度比未添加化学药剂之前减小近50%，并且当入口液相表观流速固定时，无量纲化后的液塞速度和韦伯数之间可得到近似指数的变化关系；通过数学推导，建立了考虑加速压降下的段塞流动理论求解表达式，提高了预测精度。针对立管系统严重段塞流动，通过实验测试得到了气液两相流动下的各流动形态所对应压力波动特征，通过构造线性方程求解特征值的方法，给出了特征参数的敏感性分析，并据此将严重段塞流动与其它流动形态加以区分；针对严重段塞流的流动特性参数进行了统计，随着液相介质黏度的增大，会造成气弹长度增大，气弹速度减小；建立了无量纲化后的液塞长度、表征液塞频率的St数、以及压力波动幅值的Eu数。经过分析得出，立管系统严重段塞流的液塞长度与工程结构有关，并会使其数值稳定在一定范围内。而St数与入口含气率呈现极强的线性关系，增大液相介质黏度会使振动频率略有减小。Eu数与Re数，在对数坐标系下呈现良好的线性变化规律，液相介质黏度增大会使其波动幅值降低，因此有助于缓解立管系统严重段塞流动。综上所述，通过对立管系统段塞流动开展研究，给出了其流动特性规律及影响因素评价，为海洋工程领域中油气资源开采，提供帮助