螺杆泵环空螺旋流动的数值模拟研究

来源 :中国石油大学(华东) | 被引量 : 0次 | 上传用户:wangyongwangyongwang
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环形管道中的流体流动是石油和天然气开采过程中的常见现象。螺杆泵在世界范围内广泛应用于稠油的开发,其生产过程中也存在环空流动。螺杆泵开采石油过程中溶解气不断析出、分离,杆管环空中会出现气液两相流动。抽油杆的旋转运动还将产生螺旋流动,并产生比圆管和内管静止环空中更为复杂的两相流动流动规律。因而对影响螺旋环空两相流动进行研究对于螺杆泵的设计和管理具有重要意义。论文采用计算流体力学软件Ansys Fluent系统研究了抽油杆旋转对环空单相液流和气液两相流的影响。由于螺杆泵主要应用于稠油开发,生产过程的流体流动一般为低含气率气液流动,论文分别采用欧拉模型和VOF模型对泡状流和段塞流进行了数值模拟研究,并采用文献中可靠的实验数据对模拟结果进行了验证。研究表明:在单相液体层流中,杆柱转动增加了摩擦阻力,使原本为抛物线的轴向速度分布曲线变平,并在靠近管柱的狭窄边界层内产生涡流剖面。这一影响将随着轴向雷诺数的增加而逐渐减小。在气液两相流动中,杆柱旋转通常会减小气泡的轴向上升速度,同时增强空隙率和摩擦阻力。在非常低的液体流量下,重力损失为流动的主控因素,杆柱旋转将导致空隙率增加和总压降的降低。在较高的流量下,杆柱旋转产生的空隙率增加影响并不明显,摩擦阻力的增加成为主控因素,并导致总压降的增加。基于数值模拟数据,考虑管柱旋转对摩擦系数、空隙率和总压降的影响,分别建立了内壁旋转条件下垂直环空环空流动泡流和段塞流机理模型。对比表明,所建立单相液流摩擦系数计算模型的平均绝对百分误差为4.1%。在管柱静止条件下对泡流和段塞流计算结果的误差分别为4.93%和12.39%。在管柱旋转条件下对泡流和段塞流计算结果的误差分别为7.24%和12.81%。计算结果表明,所建立机理模型对数值模拟结果的预测误差较小,且泡流模型的预测精度更高。泡流和段塞流过渡界限的分析表明,随着旋转速度增加,由泡状流过渡为段塞流所需要的气相表观流速逐渐减小,而且这一影响在低液相表观流速下更为明显,并随着液相流量的增加而逐渐消失。
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