论文部分内容阅读
油气混输工艺较传统的采油工艺，具有显著的经济效益。多相泵为油气混输工艺的核心装备，是实现油气密闭混输的关键设备。新型往复式混输泵产品，具备混输油井套管伴生气和原油的独特功能，能有效实现石油开采过程中伴生天然气资源的回收利用。然而，油气混输工况下，往复式混输泵内部会集聚因流体分子之间碰撞、流体与壁面之间碰撞、内摩擦以及压缩产生的热量，引发泵体内部温度升高。泵体内部温度变化，不仅影响油气介质的流动特性，降低润滑特性，增加往复密封副的泄漏量，进而影响产品的性能。而且泵体内部温度过高，既加大热损失，又导致泵零件的热变形及密封元件的失效，影响产品的可靠性。因此，研究泵体内部油气瞬时温度特性与复杂油气混输工况间的关系，对于在线预测泵体内部温度，指导混输泵工程设计，确保其稳定运行具有十分重要的意义。本文以3DP75-18/4.0型三缸单作用油气混输泵为研究对象，通过建立理论模型、数据驱动经验模型以及基于常用计算流体动力学（CFD）软件Fluent进行三维动态仿真，研究了泵内部气液两相流瞬态温度特性与工况之间的关系。主要研究内容及成果如下：
1.依据压缩机、混输泵相关理论，结合往复式混输泵结构与工作特性，基于能量守恒方程、质量守恒方程、状态方程、容积变化方程、质量含气率模型等推导并建立泵内部气液两相流瞬态温度特性理论模型。
2.基于Fluent软件，结合用户自定义功能（UDF）技术，对不同混输工况下，往复式混输泵一个工作循环进行三维动态仿真。获得了温度分布特性以及与其密切相关的压力和含气率分布特性。分析了吸入压力、排出压力、入口含气率、泵速对气液两相流压力、含气率、温度的影响。
3.整合CFD和高斯过程回归（GPR）模型优势，提出一种数据驱动经验模型，实现泵内部气液两相流瞬态温度特性的建模和预测。结果表明：该模型可取代复杂验证试验，为CFD仿真选择较好的暂态模型，辅助CFD设计；也可利用CFD仿真数据，构建合适的GPR模型，实现新工况下气液两相流瞬时温度特性的在线预测。
4.基于往复式混输泵温度性能测试装置获取泵出口介质温度，将试验结果与CFD仿真结果和数据驱动经验模型预测结果进行对比分析；通过求解压缩过程理论模型，将求解结果与CFD仿真结果进行对比分析。结果均表明：理论模型、CFD仿真及数据驱动经验模型均可用于往复式混输泵内部气液两相流瞬态温度特性研究，且结果可靠度较高。
1.依据压缩机、混输泵相关理论，结合往复式混输泵结构与工作特性，基于能量守恒方程、质量守恒方程、状态方程、容积变化方程、质量含气率模型等推导并建立泵内部气液两相流瞬态温度特性理论模型。
2.基于Fluent软件，结合用户自定义功能（UDF）技术，对不同混输工况下，往复式混输泵一个工作循环进行三维动态仿真。获得了温度分布特性以及与其密切相关的压力和含气率分布特性。分析了吸入压力、排出压力、入口含气率、泵速对气液两相流压力、含气率、温度的影响。
3.整合CFD和高斯过程回归（GPR）模型优势，提出一种数据驱动经验模型，实现泵内部气液两相流瞬态温度特性的建模和预测。结果表明：该模型可取代复杂验证试验，为CFD仿真选择较好的暂态模型，辅助CFD设计；也可利用CFD仿真数据，构建合适的GPR模型，实现新工况下气液两相流瞬时温度特性的在线预测。
4.基于往复式混输泵温度性能测试装置获取泵出口介质温度，将试验结果与CFD仿真结果和数据驱动经验模型预测结果进行对比分析；通过求解压缩过程理论模型，将求解结果与CFD仿真结果进行对比分析。结果均表明：理论模型、CFD仿真及数据驱动经验模型均可用于往复式混输泵内部气液两相流瞬态温度特性研究，且结果可靠度较高。