随着全球能源需求的不断增加,对于石油的开采量也提出了越来越高的要求。陆上的油田随着不断的开采已经渐渐枯竭,于是人们开始将目光聚焦于海上石油资源。水下生产系统是海上石油开发中很重要的一个概念,它可以大大提高中心平台的覆盖范围,提高开采效率。但由于海底环境复杂,特别是在拥有较长的回接管路的水下生产系统中,如何保障管道系统的通畅是目前亟待解决的一个问题。严重段塞流是水下生产系统中最常见的一种有害的流动形态,它主要发生在卧底管线和立管交接的地方,是一种伴随着压力的巨大波动的周期现象,它不仅仅对于管道本身,还对于下游的分离器等装置有相当的损害,同时也影响了石油的日产量。因此有必要对这种流型进行深入的研究。在全面地回顾和总结了关于严重段塞流问题的国内外研究现状后,笔者发现,传统的严重段塞流研究中忽略了液体中存在的小尺度气泡,而仅仅将其当作连续气体和连续液体组成的两相流。但越来越多的实验表明,液体中是有小气泡存在的,甚至立管中的液塞里都会有大量小气泡夹带在其中。从现有的大量分层流和泡状流的数值模型中可以得知,小气泡和连续气体的模拟方法有很大差别,仅仅采用模拟连续气体和连续液体的方法来模拟含有气泡的严重段塞流并不合理。为了弥补传统数值模型的不足,使数值模拟所得到的结果更接近真实流动,本文做了以下工作:1)本文首先在二流体模型的基础上,借鉴AIAD模型中对于拖曳力的处理方法,开发了一种可以用在二维和三维下的严重段塞流数值模型,并将其与Fabre于1990年所做的实验进行了对比。通过模拟该实验中的几个工况,很好地验证了数值模型的有效性,也发现了这种忽略小气泡的数值模型的一些局限性。2)本文讨论了小尺度气泡的数值模拟方法,从已有的大量相界面力模型中选取适合本文工况的模型组合成为一种泡状流的数值模型,并与Liu在1990年前后所做的两组实验进行了对比与验证。数值模拟的结果良好。3)本文还利用气泡破裂和聚合模型将二维(或三维)严重段塞流模型与小气泡数值模型联系到一起,形成了气泡-液体-连续气体的三相流数值模型。在该三相流数值模型与实验情况对比的过程中发现,由于这种模型修正了关于小尺度气泡的模拟方法,所以能给出更为精确的结果。4)最后,本文还基于一个简化的模型,从严重段塞流判别标准上分析了小尺度气泡对于严重段塞流的影响。本文所建立的含小尺度气泡的严重段塞流数值模型相比于传统的模型有更广阔的适用范围,在描述一些非典型的严重段塞流时能有更好的效果。本文最后对于严重段塞流判别标准的分析也揭示了小尺度气泡对流型转变的影响。总之,本文的工作有很强的理论和实际意义,对于严重段塞流数值模拟方法的发展起到了一些推动作用。