油水混合物中油滴行为仿真开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，随着多相流动理论的快速发展，对于多相流体力学的研究成为热点课题之一。[1]其中油水两相流运动属于多相流研究中的两相流动问题，该现象广泛存在于石油运输、油藏开采工程以及环境科学等工程领域。因此对油水两相流运动进行仿真研究，揭示其物理现象实质具有一定理论研究意义和重要的实际应用价值。

随着经济发展，资源需求总量逐渐增大，陆地资源的供应量已经远远不能满足人类的需求，例如我国的石油行业发展至今，石油产量已经连续5年突破1.6亿吨/年，位居世界第五。[2]但相对于需求量来说仍然供不应求。近十年来，我国原油消耗量按年均5.77%的速度增长，年消费量约为2.3亿吨，以成为世界上仅次于美国的第二大石油消费国。然而同期国内原油供应的增长速度仅为1.67%[3]，供给远远赶不上经济发展对油气的需求，因此海上资源尤其是石油资源的开发十分重要。在海上石油开采及运输工业中，海洋油气生产系统是一个必不可少的重要组成部分，其管道组成形式复杂，其中储存和运油管线几乎全部采用海底管线进行铺设。海底运输距离越远，管道铺设长度越长。列如：我国的海底油田铺设长度以渤海秦皇岛32-6和绥中36-1等地为例，总长度达400km,而海南崖城13-1管道铺设全程达775km[4]由于远距离的海底管道铺设、长时间运行以及海水侵蚀，在石油运输过程中会出现海底管道泄露，造成海底溢油现象的发生。从1987到1996年我国海上溢油事故频繁发生，其中不乏重大溢油事故[5]石油泄漏入海，不仅使稀缺的石油资源浪费，造成经济损失，还会对海洋生态环境造成破坏[6]，油从管道中溢出，在水中向上运动直至漂浮到海水表面，该现象从理论角度分析就设计到了油水两相运动问题。因此，有必要对油滴在水中运动过程进行研究，为海底溢油的治理提供一定的理论研究。

近年来，多相流和气一液、气一固、液一固两相流的研究己日臻成熟。国内外许多专家学者对复杂的流动现象给出了科学而系统的解释，并提出相应的经验公式。同时，由于计算数学和计算工具的发展，人们从数学理论基础出发，对两相流，尤其是气一液两相流，进行解析分析研究，取得流场的局部特征，确切地反映了实际流动情况[7]。但对于两种互不相溶的液体混合在一起的流动，即液一液两相流，还研究得很少，主要以实验为主。国内外对两相流体运动研究包括：

2000年程文等[8]对气泡在水中上升过程进行了实验研究，分析了气泡的速度与气泡直径的关系。研究结果表明，气泡所受粘性阻力和浮力相等时，气泡的速度最终会在一个定值范围内呈现波动状态，在雷诺数为300左右时气泡速度达到最大值。基于实验数据和理论分析建立了气泡上升的速度数学模型，为研究液滴在水中向上运动奠定了理论基础。

2. 研究的基本内容与方案

comsol multiphysics是以有限元法为基础，利用求解偏微分方程（单场）或偏微分方程组来进行真实物理现象的仿真，用数学的方法求解真实世界的物理现象。comsol multiphysics建立多物理场模型的方法是，首先预置完整的描述各种独立物理场的应用模型，然后这些应用模型可以轻易耦合成各种应用模型。用户可以通过设定偏微分方程项,边界条件和初始条件来实现各个物理场对耦合。同时comsol multiphysics为确保应用模式对场变量和计算出的导出数有不同的命名方法，其设计具有“记事簿”的功能。对于两个耦合的应用模型，comsol multiphysics把每个模型通过构建稀疏矩阵的方法象征性的建立有限元描述，这其中也包括了用户自定义的耦合项。本文采用comsol软件的cfd模块依据navier-stokes方程描述的牛顿流体运动行为进行有限元两相流体互动行为的有限元物理仿真，分析其物理互动关系的产生原因。

本研究具体的技术方案如下：

1.详细理解两相流体背景及其基本原理，主要通过网上搜集相关论 文和在图书馆查阅相关文献、书籍来完成。

3. 研究计划与安排

第一周熟悉课题，搜集整理流体力学相关资料，查阅文献；

第二周查阅外文文献，开始文献翻译；

第三周撰写开题报告初稿，完成资料翻译；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 张雪丽，水中油滴运动实验与模拟研究【d】.河北工业大学，2017

[2] 张维佳.2020年我国石油行业供需发展现状分析 中国石油进口量全球最高.available at http://finance.eastmoney.com/a/202003231428359820.html(accessed23/03/20)

[3] 马凤良.中国石油安全问题的研究【j】.石油化工技术经济，2004, 20 (2)

[4] 王晶.海底管线溢油在水体中的运移扩散过程研究【d】.大连理工大学，2006.