摘要
在目前深海油田开采中，垂直管流动常见于平台立管和油井井筒中。垂直管内多相流动常见流型包括泡状流、段塞流、搅拌流和环状流，管道内多相流动在不同流型下具有不同的流动特性。及时对垂直管内流动情况进行监测，能够确保深海油田开采、长距离管道安全经济地运输。声发射检测方法检测声音频率范围宽，且非侵入式、无损伤检测特点引起了广泛关注，在多相流检测领域有广阔的发展前景，进行声发射检测多相流的机理研究具有十分重要的意义。 本文设计搭建了三套实验装置，包括单孔喷嘴连续释放气泡实验装置、多孔喷嘴连续释放气泡实验装置和垂直上升管气液两相流实验装置。本实验利用自行开发的声信号采集程序进行连续信号采集和声信号参数计算，同时利用高速摄像、双平行电导探针等测量技术同步进行流动参数采集，对声发射检测多相流的可行性和精确性进行研究。 单孔喷嘴释放气泡实验研究发现，气泡产生和气泡上升运动过程声信号随着孔口气速的增大而增强。此外，基于k-means聚类分析的时频分析方法处理气泡上升运动过程的声信号，得到的各分类声信号具有一定的相似度，结合高速摄像技术，可以有效分析气泡上升运动声信号，并识别气泡振荡、破碎、聚并等运动形态，本实验提供了一种多相流声信号有效处理的方法。 多孔喷嘴释放气泡实验中，研究不同喷嘴组合特征下的多气泡集体振荡声信号规律。实验研究发现，减小相邻气泡的间距或增大气泡数目，均可以增大声发射信号。单个气泡振荡主要频率范围为50~130kHz，频率峰值为60kHz和130kHz。与单气泡振荡相比，多气泡集体振荡频率范围减小，高频部分信号减弱。利用十二烷基苯磺酸钠改变实验液相的表面张力，实验研究发现，表面张力对多气泡集体振荡声发射特性的影响较大，添加表面活性剂会降低表面张力，能够极大地减小声发射信号的强度。 垂直上升管空气-水气液两相流实验对比分析了泡状流、段塞流、搅拌流和环状流四种流型下声信号的时域特征和频域特征，研究表明声发射技术能够对垂直管内气液流动进行有效的流型识别。根据垂直上升管气液两相段塞流流动特点，可以利用声发射信号获取段塞流液塞频率、液塞速度和液塞长度等宏观流动参数。通过对液塞局部区域声信号参数和均方根概率密度分布等局部特征进行分析，证明声信号均方根能够表征液塞局部区域特征。通过分析声信号均方根、混合速度和含气率的关系，提出了段塞流含气率模型，并将模型与电导探针测试结果进行对比。实验研究表明声发射技术应用于段塞流流动检测具有良好的应用价值。
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