非牛顿流体偏心环形空间螺旋流的速度分布

从理论上建立了双极坐标系下非牛顿流体偏心环空螺旋流的控制方程,其为用流函数和轴向速度表示的四阶非线性变系数非齐次偏微分方程组.给出了上述方程组的有限差分法数值求解步骤,并以水和CMC水溶液室内实验数据为例,计算和分析了非牛顿流体偏心环空螺旋流的速度分布规律,结果表明：非牛顿流体偏心环空螺旋流中存在二次流区,且影响二次流区域大小的主要因素是偏心距.     

幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度分布规律的PIV实验研究

为研究幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度的分布规律,建立了幂律流体的偏心垂直环空螺旋流动实验模型及实验方案。利用PIV系统拍摄各种工况下偏心环空螺旋流场中粒子的图像,对实验数据进行处理分析,确定了幂律流体偏心环空螺旋流轴向速度分布的主要影响因素。着重分析了压力梯度、黏滞性、内管旋转角速度、偏心度这些影响因素对偏心环空宽、窄间隙处轴向速度分布的影响规律,为解决石油工业中相关问题提供了有益的参考。     

水力旋流器内部流体流动特性PIV实验

为了研究水力旋流器内部流体流动特性,利用激光粒子测速技术（PIV）对双切向入口双锥水力旋流器内部流体流动的全流场进行了测量,利用Tecplot进行了流场显示,切向速度、轴向速度和径向速度提取及涡量计算,并绘制了零轴向速度包络面（LZVV）。研究了不同流量条件下,水力旋流器旋流腔中流体的切向速度和径向速度分布特点、上锥段中流体轴向速度分布特点、上锥段中流体局部涡量特征、上锥段中流体零轴向速度包络面（LZVV）的分布特性。结果显示,水力旋流器旋流腔中的流体切向速度呈中心对称的凹抛物线形分布,旋转动量主要集中在器壁和气柱处,径向速度呈不对称的双M形分布,且靠近气柱处的径向速度比器壁处的要大。上锥段中流体的轴向速度呈不规则的M型分布,轴向速度与流量不呈十分一致的关系,而是随着流量的增加,轴向速度有波动。上锥段中径向上的局部涡量呈不规则的双M形分布,靠近旋流腔壁处,负涡量的绝对值较大;零轴向速度包络面（LZVV）为一近似不规则的圆锥面,双切向入口中流体流量和介质黏度影响LZVV面的形状和分布位置。     

新型旋流-颗粒床耦合分离设备的三维气相流场分布

采用五孔球探针测量了无尘负荷条件下新型旋流-颗粒床耦合分离设备内复杂的三维气相流场,分析了内部流场特点。结果表明:在不同入口气速条件下,无量纲切向速度与无量纲轴向速度的分布形态基本类似;切向速度分布轴对称性较好,旋流中心与几何中心基本重合;切向速度沿轴向呈减小趋势,沿径向的分布则与常规旋风分离器不同;在入口环形空间内,切向速度在0°~180°方位区间内增大,而在180°~270°方位区间内减小;旋流空间内轴向速度整体方向向下,局部螺旋上升气流集中在筒-锥连接段270°方位;径向速度分布的规律不明显,在直筒段径向速度数值与轴向速度在同一数量级,且对气流方向有重要影响;在排气管入口截面处,外旋流方向与入口气速密切相关。各截面平均静压沿轴向呈增大趋势,结合动压场分布可判断出筒-锥连接段气体流量显著减小,部分气体螺旋向上进入颗粒床,在实际操作过程中可能会导致粉尘堆积。由于内置颗粒床的影响,设备内部的气相整体呈螺旋向下的旋流运动,内外旋流边界不太明显。排气管口处短路流、顶灰环与返混现象消失。     

偏心环空螺旋流的PIV测试研究

首次将PIV技术应用于测试偏心环空幂律流体紊流螺旋流速度场,设计了一套可调偏心度的垂直环空管道实验装置。实验为不同浓度的聚丙烯酰胺水溶液在偏心度分别为40%和80%的垂直环空管道内做螺旋流动的PIV实验,得到了轴向速度影响规律:压力梯度一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加将使轴向速度增大;流量一定时,黏滞性的减小或内管转速的增加都将使宽间隙处紊流核心区的轴向速度减小;偏心度的增大可以使紊流核心区轴向速度减小;当其它条件相同时,轴向速度随着压力梯度或流量的增加而增大。PIV实验结果与PHOENICS数模结果吻合良好,证明了PIV技术对幂律流体偏心环空螺旋流速度场进行测试是可行的、有效的。     

水合物颗粒螺旋输送数值模拟研究

为了更好地了解天然气水合物颗粒在两相螺旋管流中的流动特性和传热规律,采用DPM模型和RSM模型对以扭带起旋的水合物颗粒螺旋输送进行数值模拟。主要研究了不同扭率和流速下的温度场、速度场、湍流强度和水合物颗粒的沉积规律。研究结果表明螺旋流能加强壁面传热效率,且扭率越小雷诺数Re越大时管道壁面的传热效率越高;流体在扭带作用下速度开始呈双峰形式运动,最后峰值在管道中心处合并;螺旋流能有效提高水合物颗粒的运动距离,在螺旋流较强段水合物颗粒沉积明显较少;在扭带段湍流强度分布曲线呈"W"型中心刚性涡处湍流强度较小,在后管两个对称涡合并过程中加大了中心涡处的脉动速度,湍流强度分布曲线呈"U"型。     

内管行星运动环空中幂律流体流动的数值模拟

运用函数UDF和动网格技术,对内管行星运动的偏心环空中幂律流体流动进行数值模拟,计算分析了自转与公转参数对流场速度分布、二次流、杆柱扭矩以及流体轴向压降的影响。计算结果表明:流动时的雷诺数Re=24.083~828.75;内管的公转使偏心环空流场速度核心区绕内管轴线向公转反方向偏移;内管自转与公转方向相反时,环空内二次流现象显著;内管自转且公转时,杆柱扭矩以及环空内流体轴向压降均比内管仅自转时大。     

基于流固耦合的LW350离心机适应性分析

为了研究离心机的流场特性及其关键结构的力学特性,以LW350型离心机为研究对象,建立了离心机流体域和螺旋输送器的模型,通过数值模拟得到离心机流场的情况,并对螺旋输送器进行了流固耦合分析,得到各参数对结构强度的影响规律。研究结果表明:在高转速下,分离效率主要受转鼓转速的影响,转鼓内不同径向截面的周向速度具有对称性,径向速度受湍流的作用影响物料扩散,轴向速度正负分层明显,利于液相回流;压力场表现为沿径向压力增大,轴向压降减小,利于沉降固相;通过单向流固耦合分析,螺旋输送器满足刚度和强度的要求,各参数对结构变形和应力大小有一定的影响。研究结果可为离心机的安全高效运行提供参考。     

基于压差法的水平井岩屑床轴向运移规律研究

为了明确长水平段水平井旋转钻进工况下水平段岩屑床的轴向运移规律,开展了基于压差法的水平井岩屑运移试验。利用设置在井筒轴向不同位置的多个压差传感器,测量井筒的瞬时压降,用来表征岩屑床在井筒中的轴向分布,并据此计算了岩屑床运移速度,分析了流体密度、排量、转速对岩屑床运移速度和压降的影响规律。结果表明：该方法能够表征岩屑床运移特征,精细刻画了岩屑床在井筒轴向位置的分布;岩屑床运移速度与流体密度、排量和转速呈正相关关系;排量增大,可显著提高岩屑床运移速度,但压降迅速增大限制了加快清岩的最大排量;转速增大,能够提高岩屑床运移速度,且对井筒压降基本没有影响。研究结果明确了水平井岩屑床的轴向运移规律,为井下岩屑床轴向分布测量提供了理论基础,并有助于规避井筒压力复杂和卡钻等风险。     

聚驱螺杆泵井偏心环空流体流动仿真研究

螺杆泵主要用于聚驱井和稠油井,由于转子偏心以及井口不对中等原因,螺杆泵井杆管环空中流体可能呈现偏心流动.针对目前多数研究将该流动考虑为牛顿流体同心环空轴向流动的情况,对此流动系统进行运动和受力分析,建立螺杆泵井幂律流体杆管偏心环空螺旋流仿真数学模型.运用线性迭代的方法进行求解.通过计算可知,螺杆泵井杆管偏心环空螺旋流角速度随转速增加而增加,窄间隙处角速度径向梯度比宽间隙处大.轴向速度随转速的增加而增加,且增加幅度较大.仿真数学模型中螺杆泵杆管环空流体的流动状态符合实际工作状况,完善了螺杆泵举升工艺理论.     

导流条安放角对气固两相螺旋流动特性的影响

为了保证天然气的安全输送,对以导流条全程起旋的水平管中气固两相螺旋流动进行数值模拟研究。采用DPM模型和RNG k-ε模型对流体流场进行流-固耦合计算,研究不同导流条安放角对水平管内不同横截面流动特性的影响,并引入管道旋流效能评价参数ξ来表征单位长度上压降产生的旋流数大小,优选出最佳安放角。研究结果表明:导流条安放角越大,切向速度越大,轴向速度越小,湍动能越强,压降越大,导流条安放角20°的管道温度梯度变化较快,传热效率最高;在计算工况范围内整管段内颗粒不会在管底沉积,安放角25°的管道导流条附近颗粒浓度极大值区域最大;安放角在10°~25°范围内每增加5°,参数ξ增加0.12,并在安放角25°时达到极值;当安放角大于25°时,参数ξ开始减小,因此选取25°为最佳安放角。研究结果可为螺旋管流安全输送天然气水合物提供理论依据和技术指导。     

多功能旋流分离器速度场的测试与研究

论述了多功能旋流分离器在溢流管三种不同插入深度、六种不同流量组合工况下速度场的测试试验情况及分离器环形空间和分离空间内液流轴向速度和切向速度的分布状况，分析了这种分离器内部速度场的分布特点及溢流管不同插入深度、造旋臂、体侧臂、中心管等结构参数和流量比对速度场的影响，得出了溢流管直径和造旋臂直径是影响速度场的主要因素，而流量比对速度场的影响仅限于溢流管以下较小区域内的结论。     

水平井筒分层流型压降计算模型研究

井筒流动是一种沿井筒不断有流体流入的变质量流体流动 ,因此其压降计算有别于常规管流。在混合损失计算模型的基础上 ,应用动量守恒原理推导出了新的水平井筒气液两相分层流型压降计算模型。该模型较全面地考虑了井筒流动各方面的参数 ,将井筒压力损失划分为摩擦损失、加速损失、重力损失和混合损失等 4部分 ,其中加速损失主要源于径向流入引起的加速损失 ,以及由于持液率的变化引起气、液流速变化而导致的加速损失。计算实例表明 ,水平井筒气液两相流动中的井筒压降均随着管壁入流量和轴向流量的增加而增大 ;入流角对井筒压降的影响主要表现为混合损失占井筒损失的比例随入流角的增加而增加 ;新的水平井筒压降模型与油藏渗流相耦合 ,可为水平井产能研究提供理论指导。     

Experimental Research on Gas-Liquid Two-Phase Spiral Flow in Horizontal Pipe

In view of the importance of gas-liquid two-phase spiral flow and the few research reports at home and abroad,the gas-liquid two-phase spiral flow patterns have been researched in a horizontal pipe with different parameters investigated by means of observation and a high-speed camera.Since the appearance of spiral flow makes the distribution of twophase flow more complicated,the flow patterns appearing in the experiments were divided into the Spiral Wavy Stratified Flow(SWS),the Spiral Bubble Flow(SB),the Spiral Slug Flow(SS),the Spiral Linear Flow(SL),the Spiral Axial Flow(SA),and the Spiral Dispersed Flow(SD) by the observations and with reference to the predecessors’ research achievements.A flow pattern map has been drawn up.The influence of velocity,vane angle and vane area on flow pattern conversion boundary and pressure drop has been studied,with a solid foundation laid for the future research work.     

新型井下轴流式入口旋流器分析及优选

在国内陆地油田井下油水分离同井注采技术应用中,常规井下旋流器由于径向尺寸较大而经常受到限制,影响分离效率。为此,研发了2种新型井下轴流式入口旋流器,在降低旋流器径向尺寸的基础上,提高旋流器的分离性能。在明确新型轴流式旋流器结构特点、分离机理后,通过数值模拟分析,利用油相体积分布云图阐明不同结构旋流器内油相分布特点,指出循环流对旋流器分离性能的影响。研究速度矢量变化特点,掌握轴流式入口结构的作用及流体分布规律,利用压力降曲线,明确能耗、压力损失的关系。模拟分析结果表明,导流叶片轴流式旋流器切向速度差值为1.2 m/s、轴向速度差值1.5 m/s,溢流压力仅为0.02 MPa,分离效率高、能耗低,为特高含水区块的经济性开发提供技术支持。     

入口颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的实验分析

旋风分离器的入口气流颗粒浓度对旋风分离器的压力降有重要影响。在入口气流颗粒质量浓度5~550 g/m3范围内,对蜗壳式旋风分离器的压力降进行了实验分析。结果表明,随着入口颗粒浓度的增加,旋风分离器的压力降逐渐降低,尤其是开始阶段,降幅明显。除旋风分离器的入口部分压力损失外,旋风分离器的压力降主要由气、固两相流与器壁之间的摩擦损失和气、固两相流的旋转损失两部分构成,前者与入口气流速度有关,后者与旋转速度有关。随着入口颗粒浓度的增加,摩擦损失部分增加,但旋风分离器内的气、固两相流的旋转速度降低,旋转损失部分降低,综合结果是旋风分离器的总压力降降低。旋风分离器的压力降变化也使管路系统压力分布发生变化,导致入口流量发生变化,加入颗粒后通过旋风分离器的流量相对纯气相时的流量明显增加。最后,给出了入口气流颗粒浓度对旋风分离器压力降影响的计算方法。计算中考虑了加入颗粒后对切向速度的衰减作用,适用于高入口颗粒浓度的工况。     

井下两级旋流分离技术流场模拟研究

随着油田开采程度的持续深入,降低生产成本和提高采出效率正逐渐成为各油田提高竞争力的重要手段。井下两级旋流分离技术可进一步提高分离效率,降低回注水的含油量,提升回注水品质,大幅度降低地面采出液及采出液含水率,是油田降低开采成本的重要举措及技术支持。通过井下两级旋流分离技术流场模拟研究,重点分析新型螺旋流道旋流器(一级旋流器)内部的流场特点,研究其速度矢量及速度分量的变化规律,压力损失特点和油相分布规律。新型结构的螺旋流道使流经其内部的流体从单一的轴向运动转变为旋转运动,流体运动空间的改变使其切向速度增加明显,有利于进行离心分离。流体在运动过程中的压力损失转变为流体的速度增量,与流体经过螺旋流道后速度矢量的变化相对应,但因循环流的存在,扰乱了溢流管下部油核及相邻位置流体的正常运动,使油核发散、流场紊乱,令新型结构的旋流器效率有所降低。经过流场分析,进一步认识井下两级旋流分离器的流场分布规律,有利于旋流器的结构改进及现场应用。     

内管旋转的垂直同心环形管内单相流动特性的试验研究

分别以空气、油、水为工作介质对内管旋转的垂直同心环形管内的单相流动特性进行了系统的试验研究。首先在100 Re 70000的范围内对内管不转的环形管内的摩擦阻力进行了试验测定,并与几种摩阻关系式进行了比较,得出同心环形管内紊流摩擦系数比圆管摩擦系数约高6%~10%,Sadatomi的关系式可用于4000 Re 70000的范围内的紊流计算。采用测量轴向摩擦压降的方法,对内管旋转的环形管内的流动离心不稳定性以及摩阻进行了试验研究,得出了直径比小于0.8时,层流向层流+Taylor涡旋的转换边界及紊流+Taylor涡旋向紊流的过渡边界,并针对不同流型给出了适用于较大环形间隙环形管的摩阻关系式。