油水两相流湍流液滴拟序结构不稳定性分析

Oil-water two-phase flow, as a complex nonlinear system, is commonly observed in many industrial applications, and its behaviors under a wide range of flow conditions constitute an outstanding interdisciplinary problem with significant applications to the petroleum industry. So far there has been no satisfactory understanding of the underlying turbulent two-phase flow leading to the formation and governing the evolution of its flow structures. Therefore, a new theoretically complex system method is required to detect and describe the complicate multiphase flow structures and their flow mechanism. In this study, we will combine the new development conceptions (disequilibrium, asymmetry and inhomogeneous distribution) of statistical physics with the multi-scale nonlinear analysis to investigate the instability of the coherent structure of turbulent liquid droplet in vertical upward oil-water two-phase flow. The data used in this study are from the local optical/conductive probe array sensors and the global rotating electric field conductance sensor with eight electrodes. By this research, we try to reveal the statistical physics mechanism of the instability of the coherent structure of turbulent liquid droplet, which will develop a new approach on the study of statistical theory of the turbulent characteristics in oil-water two-phase flows.

油水两相流广泛存在于工业生产过程中的各个领域，作为一个复杂非线性系统，其流动行为是各种流动条件下的石油工业应用中重要研究问题。迄今，尚未对其两相流湍流流动结构形成和发展取得清楚认识，尚需从全新复杂系统理论与方法角度揭示其复杂流动机制。针对垂直上升管中油水两相流湍流液滴拟序结构不稳定性问题，在获取流场光/电探针阵列传感器观测数据及八电极旋转电场式电导传感器观测数据的基础上，本项目拟将统计物理中新发展概念（非均衡性、非对称性、非均匀分布特性）结合到多尺度非线性分析中，探讨油水两相流湍流液滴拟序结构不稳定性问题，以期揭示湍流液滴拟序结构不稳定性统计物理机制，为油水两相流湍流特性的统计理论研究提供新方法。

本项目针对油水两相流湍流液滴拟序结构不稳定性问题，在获取流场光/电探针阵列传感器及旋转电场式电导传感器实验观测数据的基础上，将统计物理中的新发展概念（非均衡性、非对称性、非均匀性）结合到传感器数据分析，构建了湍流液滴拟序结构尺度非线性分析方法。首先，项目在执行过程中完成了湍流液滴拟序结构传感测量系统设计，在此基础上，获取了水包油乳状液在管截面不同位置处的局部持油率、局部流速及局部油泡尺寸分布，揭示了管截面不同位置处的水包油乳状液油泡动力学不稳定性；其次，解释了湍流液滴拟序结构对电导法、电容法、差压法测量持水率精度影响，为持水率传感器优化设计提供了两相流体力学依据；此后，基于旋转电场式电导传感器多通道观测数据构建了湍流液滴拟序结构多尺度非均衡性分析方法，在多尺度复杂熵因果关系平面上揭示了湍流液滴拟序结构动力学不稳定性；此外，构建了湍流液滴拟序结构多尺度非均匀分布指示方法，从多尺度差值散点形态上提取了表征湍流液滴非均匀分布的标度，该标度可用来表征湍流液滴聚合与击碎过程随流动参数变化关系，有助于理解分散相流动结构转变动力学演化机制；最后，构建了湍流液滴拟序结构多尺度不对称性分析方法、多尺度动力学熵分析方法及多尺度层状流界面波动互相关分析方法，多角度地揭示了湍流液滴拟序结构不稳定性统计物理机制，为油水两相流湍流特性研究提供了新方法，开拓了新途径。. 项目在研究过程中，在国内外学术期刊发表学术论文共25篇，其中，SCI检索论文24篇，EI检索论文1篇。申请国家发明专利8项。出版学术专著1部。培养毕业博士研究生4人，培养毕业硕士研究生14人。4人获得天津大学优秀硕士学位论文。4人获得研究生国家奖学金（博士生1人，硕士生3人）。. 项目按计划完成了预期研究内容，达到了预期研究目标，获得了预期研究成果，其成果可为我国石油工业优化油气田开发方案及研发井孔地球物理测井仪器提供理论与技术支撑。