水中油滴运动实验与模拟研究

《水中油滴运动实验与模拟研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、分类号：密级：UDC：编号：河北工业大学硕士学位论文水中油滴运动实验与模拟研究论文作者：王雪丽学生类别：全日制学科门类：工学学科专业：土木工程指导教师：王华军职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforMasterDegreeofEngineeringEXPERIMENTALANDSIMULATIONSTUDYONOILDROPLETUPWARDMOVEMENTINWATERbyWangXueliSupervisor:Prof.WangHuajunApril2017I摘要近年来，海

2、上石油输运和石油勘探等领域发展迅速，海底管道溢油事件频繁发生，且油藏开采难度也日益加大，上述过程其实质是油水两相流动问题，因此研究水中油滴运动及水驱油过程具有重要的工程意义。主要研究内容如下：以Olympus高速摄像采集系统为基础，搭建了观测单油滴在静水中运动进入顶部油层的实验系统，完成水中油滴上升过程的动态拍摄，并对数据进行分析处理。实验结果表明，油滴在上升过程中由圆形变成椭圆形，最后趋于稳定状态。油滴上升过程主要受浮力、粘性阻力和惯性力作用。油滴直径越大，上升过程受到粘性阻力和惯性力越大，相同条件下油滴变形程度越大；油滴变形程度与直径呈正相关，与粘

3、度和密度呈负相关。基于LevelSet法采用COMSOL软件对单油滴水中运动过程进行数值模拟。结果表明，油水界面震荡幅度与表面张力呈负相关，E0<5时，竖直波动最大幅度为6.3mm左右，水平波动范围为12mm左右。油滴底部和顶部压差约为72Pa，底部产生3~4Pa负压，周围水体产生顺时针环流。油滴上升过程变形系数模型基本符合F-T模型，相对误差为-9.2%~8.2%。为进一步揭示油滴间相互作用关系，对双油滴上升过程进行数值模拟。结果表明，双油滴在上升过程中发生聚并行为时，其过程分为四个阶段：同时上升、油滴碰撞、聚并上升和进入油层。油滴在初始间距S＜5.

4、25时发生聚并，当间距S5.25时，两个油滴未发生聚并。油滴聚并时间为0.12~0.2s，与表面张力呈负相关，与粘度比呈正相关，与密度比和油滴初始间距无关。接触时刻Re(上)/Re(下)小于0.5时，油滴相对较易发生聚并融合。最后，采用随机多孔介质模型通过Fluent软件对水驱油过程进行数值模拟。结果表明，油水粘性比趋近于1时，粘性指进作用可以忽略，驱替效率可达到96.2%左右。进出口压力差增加到一定程度时，油相饱和度减小甚微，当压力差从5kPa增大到6.8kPa时，驱替效率仅提高2%。驱替效率与孔隙结构均匀性有关，孔隙结构连通性较好，驱替效率较大；

5、闭合孔隙较多时，驱替效率较差。关键字：油水两相流COMSOL变形聚并LevelSet法IIIABSTRACTInrecentyears,offshoreoiltransport,oilexplorationandotherrelatedareashavearapiddevelopment.However,submarinepipelineoilspilloccurredfrequently,andthedifficultyofreservoirexploitationincreasedgradually.Theaboveprocessesinvolve

6、theproblemofoil-watertwo-phaseflow,anditisofgreatsignificancetostudythemovementofoildropletsinwaterandwater-drivenoilprocess.Themainstudycontentsareasfollows:BasedontheOlympushigh-speedcameraacquisitionsystem,theexperimentalsystemforobservingthemovingprocessofsingleoildropletint

7、otopoillayerinstaticwaterwasbuilt.Thedynamicrisingprocessofoildropletsinwaterwasfilmedbythissystem,andthedatawereanalyzed.Theexperimentresultsshowedthattheshapeofoildropletswaschangedfromcirculartoellipticduringtheascendingprocessandfinallystabilized.Byanalysinginthestressstateo

8、foildropletinrisingprocess,itwasrevealedthatthe