深水条件下环状流管道内沙粒侵蚀的概率分析

The research of sand erosion in annular flow for deepwater environment can be considered as the important redundancy technique to exploit the oil and gas in the South China Sea. The existing erosion models cannot correctly describe the multiphase flow pattern and sand tracks in the eroded pipeline components, which has a negative effect on the prediction accuracy. Furthermore, the mechanism and property of sand erosion in annular flow are not correctly reflected. Based on model experimental study, the present project aims at proposing a probability method to analyze the sand erosion in annular flow. The probability model works in three mechanisms. First, the annular flow pattern in eroded components can be simulated by tracking the random movement of a single droplet. Second, the spatial distribution and global motion of the granular system can be reflected by studying the stochastic motion of a single particle. Third, the material damage of pipeline components caused by sand group can be calculated by analyzing the probability distribution of impact failure caused by a single grit. The researches described in the project are distinguished from the existing erosion models in three features, i.e., the simulation of multiphase flow pattern in eroded components, the tracking of dispersed phase in turbulent flow, and the calculation of the overall erosion result caused by sand group. Systematically studying the sand erosion in annular flow is crucial and urgent for enhancing the technology of oil and gas exploitation and promoting the theoretical development in the relevant fields.

深水环境下环状流管道内沙粒侵蚀的机理与特性研究，可作为南海油气开发的一项重要的技术储备。现有的侵蚀模型无法反应受侵蚀部件内真实的多相流形态以及沙粒运动规律，因此在预测精度与机理阐述方面均需改善。本项目以模型实验为基础，通过跟踪单个液滴的随机性运动研究受侵蚀部件中的环状流流型，通过跟踪单个沙粒的随机性运动表征大规模沙粒在两相流场中的分布规律与运动特性，基于单个沙粒撞击管壁造成冲蚀的概率分布计算大规模沙粒的整体破坏效果，从而建立环状流管道内沙粒侵蚀的概率模型。与国际上同类研究相比，本研究在模拟特定管道部件中多相流流型、跟踪湍流场中离散相运动规律以及分析沙粒群侵蚀破坏的整体效果方面具有显著特色。全面开展环状流管道内沙粒侵蚀研究，对于提升国内海洋油气开发水平以及相关学科的理论进展具有重要意义。

环状流是深海油气输送管线中的常见流型，管线中的固体颗粒侵蚀可能引发并造成严重的生产事故。本项目基于概率分析研究了深海油气管道中气液环状流中的固体颗粒侵蚀。环状流气芯区随机出现各种尺度涡旋；涡旋扫掠液膜区随机产生各种粒径液滴，在此过程中液滴生成；涡旋携带气芯区各种尺度液滴返回液膜区，在此过程中液滴消亡；基于液滴在生灭过程中的动态平衡，建立液相循环方程；气相两相间切应力分解为拖曳力与摩擦力，建立相间动力方程；结合质量、动量守恒方程，建立环状流概率模型。流体微团经过弯头后，同时满足角动量守恒关系与质量守恒关系，推导出弯头流场中轴向速度的近似分布；颗粒在弯头中轴向与径向同时受到流体作用，当流体对颗粒拖曳效果较为明显时，可以对颗粒轨迹方程进行简化，结果展示相应颗粒轨迹为阿基米德曲线。颗粒撞击管材发生反弹，这一过程包含颗粒撞击理想平面发生速度衰减，与壁面起伏导致颗粒随机反弹；使用软球模型研究颗粒碰撞理想平面后发生的速度衰减，使用粗糙壁面模型研究壁面起伏导致入射角的随机变化；新模型组合应用于固体颗粒侵蚀数值分析，弯头外侧侵蚀剖面呈蛋状，比传统经验公式更为精确。使用离散元法分析了颗粒与颗粒之间、颗粒与壁面之间对固体颗粒侵蚀的影响；颗粒之间的碰撞能够有效预防壁面被后续颗粒撞击，颗粒接触壁面的应力集中区一般是磨损严重的区域。基于环状流概率模型、单相流场中固体颗粒侵蚀模型、颗粒撞击反弹随机模型，建立环状流管道内颗粒侵蚀概率模型。颗粒在多相流区域中运动，每前进一步以一定的概率进入气相或液相，概率为局部区域物相体积比例；颗粒做相间运动时受液体表面张力影响，从液相进入气相时速度减少，从气相进入液相时速度增加；基于颗粒运动轨迹即可求解环状流管道内固体颗粒侵蚀。依托本项目，发表SCI论文4篇，EI论文1篇，申请发明专利2项，软件著作权2项，培养研究生5名。