高 岳，朱紅鈞, 2，王珂楠，顏知音，胡 潔

(1. 西南石油大學(xué) 石油與天然氣工程學(xué)院，四川 成都 610500; 2. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350; 3. 海洋石油工程股份有限公司，天津 300452; 4. 中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣凈化總廠，重慶 400021)

隨著海洋油氣混輸工藝的發(fā)展，氣液兩相流通常以混輸?shù)男问捷斔椭两K端平臺(tái)，因地形起伏或流量變化，管內(nèi)出現(xiàn)不同流型的氣液兩相流。管內(nèi)流體密度、壓力等參數(shù)沿立管時(shí)空變化，導(dǎo)致立管產(chǎn)生振動(dòng)。同時(shí)，立管振動(dòng)反作用于管內(nèi)流體，使氣液兩相流動(dòng)態(tài)演變，這種流固耦合響應(yīng)會(huì)進(jìn)一步加劇立管的振動(dòng)，使海洋立管產(chǎn)生疲勞損傷甚至引發(fā)油氣泄漏，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，開(kāi)展氣液兩相流與海洋立管的流固耦合特性研究，對(duì)海洋立管的疲勞損傷和壽命預(yù)測(cè)具有重要的意義。

海洋立管流致振動(dòng)尤其是外流渦激振動(dòng)一直是海洋油氣開(kāi)采過(guò)程中的熱點(diǎn)問(wèn)題，隨著輸送壓力和流速的增大，內(nèi)流誘導(dǎo)的立管振動(dòng)問(wèn)題也逐漸引起了人們的重視。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面開(kāi)展了大量的研究。其中，Yin與Griffith[1]最早開(kāi)展了兩相流流致振動(dòng)試驗(yàn)研究，分析了非定常動(dòng)量通量對(duì)U形管的影響，發(fā)現(xiàn)氣液兩相流的密度差是影響動(dòng)量變化的主要因素。Hara與Yamashita[2]以空氣和水為介質(zhì)開(kāi)展了氣液兩相流誘導(dǎo)管道振動(dòng)的試驗(yàn)研究，將管道振動(dòng)的原因歸結(jié)為氣液兩相流密度的變化，與Yin和Griffith[1]的研究結(jié)果一致。Riverin和Pettigrew[3]研究了U形管在氣液兩相流作用下的振動(dòng)響應(yīng)，得出氣液流動(dòng)引起的共振是產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)的原因。Ortiz-Vidal等[4]對(duì)比分析了泡狀流、分散流及段塞流等不同流型的氣液兩相流誘導(dǎo)的管道振動(dòng)特性。Wang等[5]通過(guò)建立流固耦合模型，分析了嚴(yán)重段塞流誘導(dǎo)水平管—立管系統(tǒng)振動(dòng)的機(jī)理，得出管道振動(dòng)響應(yīng)與嚴(yán)重段塞流的周期性有關(guān)。Ma和Srinil[6-7]通過(guò)建立二維數(shù)值模型研究了段塞流誘導(dǎo)的彎曲柔性立管的振動(dòng)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)立管的多模態(tài)振動(dòng)響應(yīng)與多頻的段塞流動(dòng)密切相關(guān)。Zhu等[8-10]研究了不同流速、氣液比的水動(dòng)力段塞流作用下懸鏈線型柔性立管的振動(dòng)響應(yīng)，分析了柔性立管平面內(nèi)振動(dòng)中出現(xiàn)的模態(tài)切換現(xiàn)象。李焱等[11]總結(jié)了氣液兩相流引起的海底管道流致振動(dòng)問(wèn)題，指出管道疲勞破壞演化過(guò)程及規(guī)律還有待進(jìn)一步研究。謝超[12]運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)比分析了氣液兩相流激發(fā)立管振動(dòng)的單、雙向流固耦合振動(dòng)結(jié)果，得出單向耦合下立管的最大變形量和最大有效應(yīng)力均大于雙向耦合的結(jié)果。許超洋[13]試驗(yàn)分析了氣液混輸管道的振動(dòng)幅度、管壁穩(wěn)定性、沖擊載荷等響應(yīng)特性。馬曉旭等[14]試驗(yàn)研究了不同流型氣液兩相流誘導(dǎo)的U形管振動(dòng)響應(yīng)特性，分析了氣體表觀流速和液體表觀流速對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響。但這些研究大多只關(guān)注了氣液兩相流對(duì)管道振動(dòng)的影響，鮮少分析管道振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流動(dòng)特性及流型變化的影響。周云龍等[15]試驗(yàn)研究了起伏振動(dòng)狀態(tài)下水平管內(nèi)兩相流的流動(dòng)變化，通過(guò)對(duì)氣液兩相流壓差波動(dòng)的分析，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)狀態(tài)下出現(xiàn)了特有的泡狀流及沸騰波狀流。Jia[16]利用CFD三維數(shù)值模擬方法分析了段塞的形成和衰減變化，研究表明長(zhǎng)段塞和大流量會(huì)增強(qiáng)管道振動(dòng)，同時(shí)振動(dòng)也會(huì)對(duì)段塞的形成產(chǎn)生影響。Hibiki和Ishii[17]發(fā)現(xiàn)管道的振動(dòng)會(huì)對(duì)管內(nèi)泡狀流的流動(dòng)特性產(chǎn)生影響，但這種影響不足以改變泡狀流的流型。曹夏昕[18]、方紅宇[19]、欒鋒等[20]、張金紅[21]等利用振動(dòng)臺(tái)研究了搖擺振動(dòng)對(duì)豎直管、水平管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)的影響，分析了振動(dòng)對(duì)管內(nèi)單相流的摩擦壓降及氣液兩相流的流型、流型轉(zhuǎn)變界限、界面含氣率以及摩擦壓降等參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)會(huì)使管內(nèi)氣液兩相流產(chǎn)生附加慣性摩擦力，增大管內(nèi)的摩擦壓降，并且通過(guò)對(duì)振動(dòng)狀態(tài)下流型轉(zhuǎn)變機(jī)理的分析，給出了各流型之間的轉(zhuǎn)變準(zhǔn)則關(guān)系式。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者或研究了氣液兩相流動(dòng)激發(fā)的管道振動(dòng)，或研究了剛性管道的振動(dòng)對(duì)管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)特性的影響，但鮮少同時(shí)考慮氣液兩相流激發(fā)的振動(dòng)及振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流體的影響，缺少對(duì)雙向流固耦合效應(yīng)的深入分析，然而這種復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象在實(shí)際海洋工程中普遍存在，尤其是不穩(wěn)定的氣液兩相流流經(jīng)非線性彎曲的柔性立管時(shí)，易激發(fā)柔性立管產(chǎn)生多階非線性振動(dòng)，這種復(fù)雜的多模態(tài)振動(dòng)又會(huì)影響管內(nèi)的流體流動(dòng)，甚至導(dǎo)致管內(nèi)氣液兩相流型出現(xiàn)時(shí)空動(dòng)態(tài)演變，進(jìn)一步加劇立管的振動(dòng)。因此，下文采用高速攝像非介入測(cè)試方法，研究了柔性立管與管內(nèi)氣液兩相流的流固耦合效應(yīng)，以期為實(shí)際海洋柔性立管的設(shè)計(jì)、維護(hù)及下游設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)裝置

如圖1所示，試驗(yàn)在氣液兩相流循環(huán)裝置中開(kāi)展，主要包括內(nèi)流循環(huán)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩部分。內(nèi)流循環(huán)系統(tǒng)的裝置主要包括：潛水泵、氣泵、氣體浮子流量計(jì)、液體渦輪流量計(jì)、針型閥、T型三通、循環(huán)管路和蓄水箱。液體和氣體分別通過(guò)潛水泵和氣泵泵送，經(jīng)流量計(jì)計(jì)量后在T型三通混合后進(jìn)入主管路，在2 m長(zhǎng)的水平段充分發(fā)展后流入立管測(cè)試段，最后經(jīng)管路流回蓄水箱循環(huán)使用。其中，測(cè)試立管段在振動(dòng)和固定兩種條件下的正視圖如圖1(b)所示。

圖1 試驗(yàn)布置示意Fig. 1 Schematic of experimental setup

試驗(yàn)中模型立管選用透明的硅膠管，其管長(zhǎng)為1.440 m，外徑10 mm，壁厚1 mm，立管布置的水平跨度l0為1.029 m，兩端固定約束，具體參數(shù)如表1所列。為便于捕捉柔性立管的振動(dòng)位移，沿管長(zhǎng)方向均勻地標(biāo)記了35個(gè)黑色標(biāo)記點(diǎn)，標(biāo)記點(diǎn)寬度為8 mm，相鄰兩個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的中心間距為40 mm。為研究固定立管內(nèi)的兩相流動(dòng)特征，將柔性立管整體固定于如圖1(b)所示的垂直平板上，以限制立管的振動(dòng)。

表1 立管模型參數(shù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)利用非介入高速攝像技術(shù)[8-10]同步捕捉振動(dòng)和流動(dòng)信息，三個(gè)壓力傳感器分別布置在水平段及立管進(jìn)、出口處，同步采集管內(nèi)流動(dòng)壓力信號(hào)，其中高速攝像機(jī)型號(hào)為HXG20，最大像素為2 048×1 088，拍攝頻率為100 f/s(frames per second)。高速攝像機(jī)的布置位置如圖1所示，分別捕捉平面內(nèi)(xoz平面)和平面外(y方向)的振動(dòng)位移。拍攝時(shí)，同步觸發(fā)高速攝像和壓力傳感器以采集立管的振動(dòng)和管內(nèi)的流動(dòng)信息。通過(guò)圖像后處理得到每個(gè)點(diǎn)的振動(dòng)時(shí)程曲線，對(duì)100 s時(shí)間段的振幅時(shí)間序列求均方根，從而得到每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)處的均方根振幅，其計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Ai是i時(shí)刻的瞬時(shí)振幅；N為樣本時(shí)間序列數(shù)，100 s內(nèi)高速攝像記錄了10 000幀圖像，即N=10 000個(gè)樣本數(shù)據(jù)。

對(duì)于柔性立管的進(jìn)出口壓差，其計(jì)算公式如下：

ΔPi=Pin,i-Pout,i

(2)

式中：Pin，i、Pout，i分別為i時(shí)刻柔性立管底部入口與頂部出口處的壓力。

1.2 試驗(yàn)組次

試驗(yàn)中，固定液體流量通過(guò)調(diào)節(jié)閥門改變氣體流量開(kāi)展了不同流型的氣液兩相流作用下柔性立管與管內(nèi)氣液兩相流的流固耦合響應(yīng)測(cè)試。其中，為捕捉到預(yù)期的泡狀流、段塞流、攪拌流等不同流型，參考了1983年Barnea等[22]在8.15 mm管徑直管中開(kāi)展氣液兩相流型試驗(yàn)研究時(shí)選用的流速范圍，取液體表觀流速范圍為0.01～1.02 m/s、氣體表觀流速范圍為0.02～6.63 m/s。

1.3 衰減試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)測(cè)試前，首先進(jìn)行了衰減測(cè)試。通過(guò)對(duì)振動(dòng)衰減曲線進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，得到柔性立管的前兩階自振頻率，其中平面內(nèi)x和z方向的自振頻率相同，充水管的一階自振頻率皆為2.25 Hz，二階自振頻率為3.74 Hz，具體的自振頻率見(jiàn)表1。

2 結(jié)果與分析

2.1 固定立管內(nèi)的流型分區(qū)

以往對(duì)管內(nèi)流型的研究主要針對(duì)垂直、水平以及固定夾角的傾斜管，隨著管道傾角的變化，管內(nèi)的流型會(huì)隨之變化，而試驗(yàn)中柔性立管的曲率是隨立管高度不斷變化的，如圖2所示，試驗(yàn)觀察到的流型主要有：泡狀流(bubbly flow)、泡狀—段塞流(bubbly-slug)、段塞流(slug flow)、段塞—攪拌流(slug-churn)和攪拌流(churn)。所有試驗(yàn)組次的流型分區(qū)如圖3所示，由于管材、管徑及懸鏈線型立管的曲率不斷變化等原因，這里的流型分區(qū)與垂直管[22]及45°傾斜管[23]內(nèi)的流型分區(qū)存在一定的差異，在較小的氣體表觀流速時(shí)出現(xiàn)了垂直管和45°傾斜管中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)的氣泡流。

圖2 固定立管內(nèi)出現(xiàn)的不同流型Fig. 2 Flow patterns in the fixed flexible riser

圖3 固定立管中的流型分區(qū)Fig. 3 Flow pattern map in the fixed flexible riser

多尺度熵在流型識(shí)別中應(yīng)用廣泛[15, 24-25]，不同流型的多尺度熵特征可以反映其流動(dòng)特性，對(duì)立管內(nèi)出現(xiàn)的幾種流型的壓差信號(hào)進(jìn)行多尺度熵分析，計(jì)算過(guò)程中容限r(nóng)取序列標(biāo)準(zhǔn)差的0.15倍[26]，維數(shù)m取2，最大粗粒化尺度為15，壓差數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為9 000點(diǎn)。圖4展示了液體表觀流速為0.11 m/s時(shí)不同流型的氣液兩相流作用下立管進(jìn)出口壓差波動(dòng)信號(hào)的多尺度熵計(jì)算結(jié)果。

圖4 不同流型進(jìn)出口壓差的多尺度熵Fig. 4 Multi-scale entropy of pressure difference under different flow regimes

由圖4可知，總體上熵值的大小排序?yàn)椋号轄盍?泡狀—段塞流>段塞—攪拌流>段塞流>攪拌流，泡狀流的壓差信號(hào)最復(fù)雜，攪拌流的壓差信號(hào)復(fù)雜度最低。不同流型的壓差在前4個(gè)尺度上的熵值變化趨勢(shì)相似，隨著尺度地增大熵值逐漸增大，泡狀流的增長(zhǎng)速率較快，其次是泡狀—段塞流、段塞—攪拌流、段塞流、攪拌流。第5個(gè)尺度之后，隨著尺度的增大，熵值變化開(kāi)始出現(xiàn)差異，表現(xiàn)出起伏變化的趨勢(shì)。由于泡狀流中氣泡很小，在隨液體沿立管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)不規(guī)律，氣泡在液相中的分布具有隨機(jī)性、離散性，其多尺度熵最大，復(fù)雜度最高。泡狀—段塞流具有泡狀流的流動(dòng)特性，且氣泡在流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)合并等現(xiàn)象，因此多尺度熵較大。對(duì)于段塞流，其表現(xiàn)為氣液交替流動(dòng)，周期性明顯，因此流動(dòng)相對(duì)規(guī)律，多尺度熵較小。隨著氣體表觀流速的增大，兩相流動(dòng)受到強(qiáng)烈的擾動(dòng)，尤其是液塞尾部的潰散，使液體出現(xiàn)上下振蕩的現(xiàn)象，在管壁上形成強(qiáng)烈的沖刷，管內(nèi)流體流動(dòng)變得復(fù)雜、隨機(jī)，使得段塞—攪拌流的多尺度熵較大，但小于泡狀流和泡狀—段塞流。攪拌流流動(dòng)時(shí)，盡管氣液兩相摻混在一起，由于液體含量減少，流體重量的影響減小，使液體上下振蕩的現(xiàn)象減少，流動(dòng)行為趨于穩(wěn)定，因此攪拌流的多尺度熵較小。

2.2 流固耦合響應(yīng)

2.2.1 不同流型氣液兩相流作用下的立管振動(dòng)特性

為研究不同流型氣液兩相流誘導(dǎo)的立管振動(dòng)響應(yīng)，選取液體表觀流速為0.11 m/s，氣體表觀流速?gòu)?.02 m/s 增至6.63 m/s時(shí)的13個(gè)組次進(jìn)行流固耦合分析。圖5比較了不同流型的氣液兩相流作用下柔性立管在平面內(nèi)x、z兩個(gè)方向及平面外y方向的均方根振幅分布。其中，s為沿管軸方向某點(diǎn)距離立管底部的軸向長(zhǎng)度，s/l為沿管軸方向某點(diǎn)距離立管底部的無(wú)量綱軸向長(zhǎng)度，Ax，RMS/D與Az，RMS/D分別為立管在x和z方向的無(wú)量綱均方根振幅。在本試驗(yàn)的氣液流速范圍內(nèi)，與平面內(nèi)x、z兩個(gè)方向上的振動(dòng)相比，平面外y方向的振動(dòng)很小(見(jiàn)圖5(c))，可以忽略，故下文重點(diǎn)分析平面內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)。由圖5可知，不同流型的氣液兩相流作用下柔性立管的振動(dòng)強(qiáng)度不同，但主要為一階模態(tài)振動(dòng)，根據(jù)氣液兩相流誘導(dǎo)的立管振動(dòng)強(qiáng)度從大到小可將流型排序?yàn)椋憾稳獢嚢枇鳌⒍稳?、攪拌流、泡狀—段塞流及泡狀流?/p>

圖5 不同流型氣液兩相流作用下的立管均方根振幅分布Fig. 5 Spanwise evolution of root-mean-squared amplitudes under different gas-liquid flow regimes

圖6 不同流型氣液兩相流作用下立管的最大振幅及管內(nèi)流動(dòng)變化Fig. 6 The maximum root-mean-squared amplitudes and flow variation in the riser under different gas-liquid flow regimes

2.2.2 柔性立管振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流動(dòng)的影響

1) 柔性立管振動(dòng)對(duì)泡狀流和泡狀—段塞流的影響

立管振動(dòng)會(huì)影響管內(nèi)的流動(dòng)，圖7對(duì)比了柔性立管在固定和振動(dòng)情況下管內(nèi)泡狀流和泡狀—段塞流的變化?？梢?jiàn)，兩種情況下，柔性立管內(nèi)的泡狀流、泡狀—段塞流幾乎沒(méi)有變化。如圖8所示，微弱的振動(dòng)對(duì)壓差脈動(dòng)曲線及壓差多尺度熵的影響很小，這主要是因?yàn)閮煞N流型的氣液兩相流作用下柔性立管的振動(dòng)很弱，不足以對(duì)管內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)產(chǎn)生影響。

圖7 固定和振動(dòng)情況下管內(nèi)泡狀流、泡狀—段塞流流型的對(duì)比Fig. 7 Comparison of bubbly flow and bubbly-slug flow in fixed and oscillation risers

圖8 固定和振動(dòng)情況下泡狀流、泡狀—段塞流壓差時(shí)程曲線及多尺度熵Fig. 8 Multi-scale entropy of pressure difference for bubbly flow and bubbly-slug flow in fixed riser and oscillation riser respectively

2) 柔性立管振動(dòng)對(duì)段塞流的影響

圖9展示了柔性立管在vSL=0.11 m/s、vSG=1.77 m/s工況下，相同長(zhǎng)度的液塞通過(guò)固定和振動(dòng)立管時(shí)長(zhǎng)度的變化。如圖9(a)所示，固定立管中，液塞進(jìn)入立管時(shí)長(zhǎng)度為8D，在向上運(yùn)移的過(guò)程中，由于液塞前端吸收管壁上的液膜，長(zhǎng)度增大至12.0D，液塞增長(zhǎng)率為50%。圖9(b)中同樣長(zhǎng)度的液塞進(jìn)入振動(dòng)的柔性立管時(shí)，隨著液塞向上運(yùn)移，其長(zhǎng)度最終穩(wěn)定在8.1D，增長(zhǎng)率僅為1.25%，變化很小。劇烈的振動(dòng)會(huì)使管內(nèi)的液膜分散，影響液塞前端對(duì)液膜的吸收，同時(shí)振動(dòng)使液塞尾部不穩(wěn)定性增強(qiáng)，促使液塞尾部的液體脫落，從而使液塞長(zhǎng)度增加減小。

圖9 固定立管和振動(dòng)立管中液塞長(zhǎng)度的變化Fig. 9 The length variation of liquid slug in fixed riser and oscillation riser respectively

圖10(a)對(duì)比了相同工況下平均液塞長(zhǎng)度在固定和振動(dòng)立管中的變化。由上述振動(dòng)對(duì)管內(nèi)液塞長(zhǎng)度的影響可知，振動(dòng)使管內(nèi)液塞長(zhǎng)度減小，如圖10(a)所示，振動(dòng)立管和固定立管中的平均液塞長(zhǎng)度差值隨氣體表觀流速的增大而增大，這是由于段塞流作用下，氣體表觀流速越大，柔性立管振動(dòng)越劇烈，對(duì)管內(nèi)的液塞長(zhǎng)度影響越大。

圖10 振動(dòng)對(duì)管內(nèi)段塞流流動(dòng)的影響Fig. 10 The effect of oscillation on the flow characteristics of slug flow in flexible riser

圖10(b)為不同氣體表觀流速的段塞流作用時(shí)柔性立管在固定和振動(dòng)兩種情況下段塞運(yùn)移速度的對(duì)比?？梢?jiàn)，振動(dòng)立管內(nèi)的段塞運(yùn)移速度小于固定立管中的段塞運(yùn)移速度，但差值較小，尤其是在氣體表觀流速較小時(shí)，說(shuō)明柔性立管的振動(dòng)對(duì)段塞運(yùn)移速度的影響較小。

與固定立管中的流動(dòng)頻率比較，振動(dòng)立管中的液塞流動(dòng)頻率增大，這與振動(dòng)立管中的液塞長(zhǎng)度比液塞運(yùn)移速度減小更明顯有關(guān)。如圖10(c)所示，0.10 m/s≤vSG<0.33 m/s時(shí)，柔性立管的振動(dòng)較小，液塞長(zhǎng)度和運(yùn)移速度變化不明顯，導(dǎo)致平均液塞流動(dòng)頻率幾乎沒(méi)有變化。0.33 m/s≤vSG≤1.77 m/s時(shí)，氣體表觀流速越大，平均段塞流動(dòng)頻率增大越明顯，這與液塞長(zhǎng)度和運(yùn)移速度的變化有關(guān)。

在流型變化方面，0.10 m/s≤vSG≤1.33 m/s時(shí)，固定立管和振動(dòng)立管中的流型均為段塞流，僅在流動(dòng)參數(shù)上發(fā)生了變化。如圖11(a)所示，vSL=0.11 m/s、vSG=0.99 m/s時(shí)，柔性立管內(nèi)的流型均為段塞流，而vSL=0.11 m/s、vSG=2.21 m/s時(shí)，固定立管中的流型為段塞流，振動(dòng)立管中流型變?yōu)槎稳獢嚢枇?，這與此時(shí)立管振動(dòng)較強(qiáng)，對(duì)管內(nèi)的段塞產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊，加速了短液塞的潰散有關(guān)。圖12展示了vSL=0.11 m/s時(shí)vSG=0.99 m/s和vSG=2.21 m/s兩種工況下管內(nèi)氣液兩相流動(dòng)壓差的變化，從壓差波動(dòng)上可以看出，振動(dòng)使壓差時(shí)程曲線的微小脈動(dòng)增加，且壓差均值減小，這與立管振動(dòng)使管內(nèi)液塞長(zhǎng)度和流動(dòng)速度減小有關(guān)。通過(guò)比較壓差多尺度熵的變化，發(fā)現(xiàn)vSG=0.99 m/s時(shí)前5個(gè)尺度的熵值變化不大，第5個(gè)尺度后，振動(dòng)立管內(nèi)的壓差多尺度熵大于固定立管中的壓差多尺度熵，說(shuō)明雖然管內(nèi)的流型未發(fā)生變化，但振動(dòng)增加了管內(nèi)流動(dòng)的復(fù)雜性。vSG=2.21 m/s時(shí)，振動(dòng)情況下的壓差多尺度熵大于固定情況的多尺度熵，這與管內(nèi)流型由段塞流轉(zhuǎn)變?yōu)槎稳獢嚢枇饔嘘P(guān)。

圖11 振動(dòng)對(duì)管內(nèi)段塞流流型的影響Fig. 11 The influence of vibration on the slug flow in flexible riser

圖12 固定和振動(dòng)情況下段塞流壓差時(shí)程曲線及多尺度熵Fig. 12 Multi-scale entropy and time histories of pressure difference of slug flow in fixed riser and oscillation riser respectively

3) 柔性立管振動(dòng)對(duì)段塞—攪拌流及攪拌流的影響

圖13(a)對(duì)比了vSL=0.11 m/s、vSG=4.42 m/s時(shí)，柔性立管在固定和振動(dòng)兩種情況下管內(nèi)的流型變化?？梢?jiàn)，在立管振動(dòng)的情況下，管內(nèi)的流型由固定立管中的段塞—攪拌流變?yōu)閿嚢枇鳎@主要是由于段塞—攪拌流作用時(shí)，柔性立管的劇烈振動(dòng)加速了液塞尾部的脫落，使液塞潰散，形成攪拌流。如圖14(a)所示，與固定立管相比，振動(dòng)時(shí)此工況對(duì)應(yīng)的壓差多尺度熵減小，氣液摻混且氣體流量增大，導(dǎo)致管內(nèi)流體受重力影響減小是熵值減小的原因。圖13(b)對(duì)比了vSL=0.11 m/s、vSG=6.63 m/s時(shí)，柔性立管在固定和振動(dòng)兩種情況下管內(nèi)攪拌流的流動(dòng)變化。結(jié)果表明攪拌流在柔性立管固定和振動(dòng)時(shí)流型并沒(méi)有改變，圖14(b)顯示的對(duì)應(yīng)壓差時(shí)程曲線及多尺度熵也沒(méi)有明顯的變化，這與攪拌流氣液混合分布的特性有關(guān)。

圖13 振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流型的影響Fig. 13 The influence of vibration on the gas-liquid two-phase flow in the riser

圖14 固定和振動(dòng)情況下段塞—攪拌流、攪拌流壓差時(shí)程曲線及多尺度熵Fig. 14 Multi-scale entropy and time histories of pressure difference of slug-churn flow and churn flow in fixed riser and oscillation riser respectively

2.2.3 柔性立管的振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流型分區(qū)的影響

為分析柔性立管的振動(dòng)對(duì)管內(nèi)流型產(chǎn)生的影響，將振動(dòng)柔性立管內(nèi)的流型進(jìn)行分區(qū)并繪制于圖15。

圖15 振動(dòng)立管中的流型分區(qū)Fig. 15 Flow regime map in the oscillation flexible riser

其中，虛線代表固定立管中的流型分區(qū)界限。與固定的柔性立管內(nèi)出現(xiàn)的流型對(duì)比，立管振動(dòng)時(shí)管內(nèi)未出現(xiàn)新的流型，但振動(dòng)使流型分區(qū)界限出現(xiàn)偏移。流速較小時(shí)，由于立管振動(dòng)較弱，未對(duì)泡狀流和泡狀—段塞流流型產(chǎn)生影響，對(duì)應(yīng)的流型分區(qū)界限沒(méi)有發(fā)生偏移。段塞流作用時(shí)，僅在段塞流與段塞—攪拌流交界處出現(xiàn)了流型轉(zhuǎn)變，使段塞流與段塞—攪拌流的分界限向氣體表觀流速較小的方向偏移。在段塞—攪拌流與攪拌流的交界處固定立管中的段塞—攪拌流則在立管振動(dòng)作用下轉(zhuǎn)變?yōu)閿嚢枇鳎缜懊嫠龅膙SL=0.11 m/s、vSG=4.42 m/s的組次。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用高速攝像非介入測(cè)試技術(shù)，對(duì)管內(nèi)氣液兩相流與柔性立管流固耦合響應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：隨著氣液流量的變化，柔性立管中出現(xiàn)了泡狀流、泡狀—段塞流、段塞流、段塞—攪拌流和攪拌流五種流型。對(duì)不同流型氣液兩相流壓差的多尺度熵進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)泡狀流的流動(dòng)最復(fù)雜，攪拌流的流動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定。不同流型的氣液兩相流激發(fā)的立管振動(dòng)響應(yīng)不同，在段塞—攪拌流作用時(shí)立管的振動(dòng)響應(yīng)最劇烈，泡狀流作用下柔性立管的振動(dòng)較弱。泡狀流、0.10 m/s

本試驗(yàn)采用的是小尺寸的概化模型，旨在分析柔性立管舉升氣液兩相流時(shí)的流固耦合效應(yīng)。下一步將綜合考慮管內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)相似和立管振動(dòng)的結(jié)構(gòu)相似，開(kāi)展有比尺的模型管道振動(dòng)測(cè)試，以更好地指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。