随着石油工业和海上油气资源开发的快速发展,天然气水合物作为清洁高效的替代能源对管道流动安全保障和储气技术的影响越来越大。研究天然气水合物流动以及沉积、堵塞机理作为水合物风险管控技术的关键,目前还没有完整的颗粒聚集行为分析体系,无法有效的抑制水合物的聚集和沉积。近年来各国对天然气水合物进行了实验分析和研究,但所研究的水合物颗粒粒径普遍过大,无法清晰的观察到微小颗粒的变化过程,尤其在微观颗粒聚集沉积方面的研究也比较少。因此本文以天然气水合物作为分析目标,从微观角度对颗粒之间的聚集和体系中的沉积行为进行了深入的探讨,从而能够有效地保障管内的流动安全。本文利用自行设计的高压密闭反应釜装置,从不同角度反映出流动体系中天然气水合物颗粒的微观形态演化特点,进而得到水合物聚集过程的物理模型以及生成机理。首先,利用不同工况条件、不同生成位置处颗粒的形成、聚集情况以及微观形态和粒径分布等参数变化,将天然气水合物微观颗粒大体区分为平面片状颗粒和多面立体状颗粒两大类,又将平面片状颗粒进一步划分为无主干雪花状颗粒和枝状颗粒。据此明确了水合物颗粒粒径在整个实验过程中的变化趋势为:0～330μm范围内的颗粒粒径和数量均呈现先增大后减小的变化趋势,并且在此过程中小颗粒数量一直占据主导地位。通过对天然气水合物颗粒的分解,得出的结论反向验证了上述聚集过程的变化特点和粒径分布情况。由于枝状颗粒在数量上占有压倒性优势,将枝状颗粒的主枝干生长趋势量化后,得到了枝状颗粒的生长动力学,并进一步提出了不同枝状颗粒类型的的临界转化尺寸以及生长机制,明确了枝状颗粒生长过程中的特征参数。与此同时,最大的生长主导粒径在整个水合物反应过程的提出,有利于区分了生长和聚集作用的主导过程以及在主导作用下的水合物颗粒特征。最后,借助实验设备获得的生长、聚集及分解等过程中水合物颗粒的微观变化,分别将液相主体和气液界面处的生长情况与分解过程一一对应,并建立水合物颗粒在不同反应位置处的生长聚集物理模型。通过上述研究,细化了流动体系下水合物颗粒生长聚集机理,提出水合物进一步生长时的聚集沉积模型,为管道流动安全奠定了基础。在上述实验基础上,借助Fluent 15.0中离散相模型和群体平衡模型模拟了反应釜内水合物颗粒运动形态以及聚集状态特点,并通过实验验证了上述模型的可行性。随后对水平管内的聚集沉积情况进行了模拟,得到管内呈弧状分布,表现为靠近壁面处的颗粒粒径较大而中间部位粒径相对较小的特点。本文运用数值模拟方法对天然气水合物颗粒在体系中的聚集沉积行为进行分析,并结合微观实验分析,在研究中能够更加全面地考虑影响聚集和沉积过程的因素。