大落差输油管道在运行过程中难免会出现计划性或事故性的停输作业。为了降低高静压以减少管道承压风险,满足管道施工作业要求,需对管段中的油品进行放空。当采用高差自然放空方法对大落差管段进行放空作业时,确定管段沿线压力、流量变化以及放空量与放空时间等参数对制定适宜的施工作业计划有着重要的作用。由于管道所经地形条件、管道运行条件、输送油品性质的不同,油品在自然放空过程中可能出现满流流动状态和不满流流动状态两种情况。鉴于两种流动状态下其本质模型不同,首先研究了不同作业条件下满流及不满流流动状态的判别方法,然后分别对满流及不满流流动状态建立数学模型,最后对大落差输油管道停输自然放空过程进行模拟,具体的研究内容和取得主要结论如下:(1)油品物性参数与流动过程密切相关,因而分析了油品物性描述理论中黑油模型与组分模型的参数计算式,研究了现有重组分特征化方法,选用三参数伽马分布函数对油品组分进行特征化处理,并对其模型参数的确定进行了优化,通过与实验测量数据对比表明其应用效果较好。同时在放空过程中存在压力降低气体逸出的现象,将以上理论结合气液相平衡模型,编制了油品组分模型计算程序,可为流动模拟提供传质模型。(2)由于大落差输油管道放空过程中存在满流与不满流流动状态,因而分析了满流与不满流流动两种流动状态的物理过程,基于能量守恒原理,应用流体力学理论,定量推导了自然放空过程满流及不满流流动状态的判别模型,可判别可能出现的流动状态。(3)放空过程流动模拟方面,对于满流模拟,考虑到放空过程中管道沿线上段为气体空间,下段为油品满流流动,二者之间有移动边界的特点,基于液体瞬变流动理论,利用坐标变换,推导了大落差输油管道放空过程油品满流流动状态的数学模型,采用特征线法结合有限差分法对其进行了求解,结合实例验证了方法的有效性;对于不满流模拟,考虑到大落差下倾管道最主要出现分层流流态,采用简化的双流体模型,建立了大落差管道放空过程不满流流动状态的气液两相瞬变流模型,采用有限差分法对其进行求解,通过实例模拟证明了其能相对准确地预测油品不满流流动状态下流动参数的变化。(4)基于上述理论,利用C#语言编制了相应的计算程序,并以库鄯线输油管道大落差段放空作业为例,模拟了不同放空作业条件下油品流动的参数变化情况及放空作业所需的时间。模拟结果表明,随着下游出口泄流面积增大,放空过程中管道内部油品更倾向于以不满流状态流动,泄流出口面积越大,不满流现象越明显。同时,随着下游出口泄流面积增大,总的放空时间缩短,当下游泄流面积达到一定程度后,通过增大泄流面积来缩短放空时间的效果不明显,且因不满流中管内油品流动参数波动较大易造成管道振动,不利于作业安全,因而在大落差放空作业时,下游泄流面积不宜过大。