多孔介质中传热传质机理研究

对多孔介质中的传热传质机理进行了研究,介绍了多孔介质传热传质的原理以及常用的多孔介质传热传质的研究方法.以蒸汽驱开采稠油为例,根据物质守恒原理建立多孔介质内质量守恒方程.在该方程中假设油藏内存在油、气两相流动,且流动满足达西定律;流动过程中的能量通过传导、辐射的方式实现.在该方程中还考虑了多孔介质的有效孔隙度及散热损失产生的冷凝量.     

FCC汽油加氢脱硫四集总反应动力学数值模拟

采用欧拉多相流模型、四集总反应动力学模型、多孔介质传热模型和层流有限速率模型,对FCC汽油加氢脱硫反应器内的多相流动、反应和传热进行了数值模拟计算,考察了多孔介质床层的速度场、温度场、脱硫率和影响脱硫率的各操作参数。结果表明,多相流和传热模型的选取、集总参数的求解和等价反应模型的设置能够较准确地描述三相流动状态及温度分布状态,四集总反应动力学模型结合层流有限速率模型能较准确地模拟计算脱硫率高达94%(质量分数)的深度脱硫过程。在该模型良好的适应性和外推性的基础上,计算了体积空速、反应压力和氢/油体积比3个操作参数对FCC汽油加氢脱硫率的影响。     

大型轴向固定床反应器中流体流动的数值模拟

根据固定床反应器内液体的流动特性建立了统一模型控制方程组,提出一种对各相同性或异性多孔介质的平方阻力系数进行估算的方法,对大型固定床反应器中液体通过入口分布器及多孔介质的流动问题进行数值计算。计算结果表明,入口分布器和惰性填料可使反应器内液体流动的均匀性得到明显改善;入口分布器顶部开孔对催化剂床层内液体流速径向分布影响较小;降低分布器高度未对液体流速径向分布产生明显的影响;反应器底部装填瓷球等填料虽有利于改善反应器自由空间区的流体流动的均匀性,但对液体在床层内的流动影响不大。     

沥青在多孔介质中沉积过程数值模拟

结合相关研究成果建立气-液-固三相多孔介质一维沉积模型,同时为了验证该模型的正确性,考虑到流体输运的物理特性,进行仿真计算模拟实际实验,并与实验结果对比.研究表明,该模型计算结果与实验吻合得较好;在同一渗流速度条件下,孔隙度、渗透率越低的岩心中,多孔介质对沥青沉积的影响越大;渗流速度与沥青沉积量呈反比.     

多孔介质中示踪剂微观可视化实验研究

为了更好地适应多孔介质示踪剂复杂渗流描述,针对微观孔道级别的示踪剂渗流机理和运移特征,应用孔隙结构仿真微观模型,设计完成了多孔介质示踪剂微观可视化实验,直接观察了多孔介质微观传质扩散过程和机理。实验结果表明：示踪剂运移微观上具有不同尺寸级别的绕流效应,且随着示踪剂在多孔介质中的推进,绕流尺寸明显增大;随着示踪剂向前推进,因混合作用明显,其质量浓度前缘梯度减小,且不再规则,同时横向宽度明显增大。示踪测试解释建模过程中,必须综合考虑示踪剂的混合作用、单个孔道的迂曲度、多个孔道的网络结构及小—大规模的绕流效应等情况。     

多孔介质内甲烷超绝热燃烧制氢联合概率密度模拟

为探索甲烷在多孔介质内超绝热燃烧裂解制氢的机理，采用计算流体力学与详细化学反应机理相结合的方法，使用标准k-ε湍流模型、联合概率密度函数和一个20组分，84步基元反应的详细化学反应机理，模拟了甲烷在直径为3 mm的Al₂O₃圆球堆积成的多孔介质内的燃烧，模拟结果与试验数据基本吻合。模拟结果显示：多孔介质内甲烷的燃烧温度比绝热燃烧温度超出数百摄氏度，富燃条件下氢气和一氧化碳大量生成。另外，采用的详细化学反应机理适用于多孔介质内甲烷燃烧时各向异性火焰的数值模拟。     

多孔介质水合物天然气开采分析模拟

由于在冻土层和海洋环境中存在着大量的天然气水合物，因此天然气水合物将成为未来的替代能源。但是，至今尚未对各种开采方法中来自水合物的天然气开采潜力进行充分调查研究。本项研究介绍了一个简单的分析模型，该模型通过减压方法从多孔介质中分解水合物，从而模拟天然气开采。我们认为分解带的热传递、水合物分解内动力学和气水两相流动是涉及多孔介质中水合物分解的三种主要机理。本项研究对涉及物理性质实际变化范围的三种机理的相对重要性进行了比较。实例研究表明，气水两相流动的影响比热传递和水合物分解内动力学的影响小得多。考虑到速度控制作用，开发出的分析模型可以预测在多孔介质中天然气水合物分解的动态特征。模型已用于进行敏感性研究，已便调查在水合物储层进行商业性天然气开采的可行性。研究结果表明，从天然气水合物储层中能够采出大量天然气，水合物叠加在含气带上方。在西伯利亚、阿拉斯加和加拿大的永久冻土区中已发现了这种天然气水合物储层。     

多孔介质中多相泡沫微观流动规律研究

通过微观刻蚀模型对泡沫、微球和多相泡沫体系在多孔介质中的微观渗流特征进行研究,结果表明:泡沫主要以变形、分割的方式通过多孔介质,且小气泡的运移速度要快于大气泡,其封堵具有叠加性;微球在多孔介质中以串状、长条状或团状聚集体存在,通过直接或变形的方式通过孔喉,以吸附、喉道处架桥和孔喉连接处堆积来形成封堵,但稳定性不强;多相泡沫体系中,微球吸附甚至包围在泡沫液膜表面,泡沫在微球的包围簇拥下向前运移,稳定性增强,对深部调剖封堵效果更好。     

稠油油藏中含内热源多孔介质的传热研究

立足于稠油热采技术,通过研究分析储层中含内热源多孔介质的传热机理,建立相应的传热计算模型,给出稠油油藏多孔介质在内热源作用下的温度分布,从而了解温度对油层中原油(尤其是稠油)性质的影响。文中以火烧油层工艺为例,考虑了由生产井注入空气与油层(即含内热源多孔介质)中原油的燃烧放热反应这一因素。运用了数理方程、渗流力学、采油工程等方面的知识,建立了含内热源多孔介质一维传热模型,并对所建立的一维传热微分方程进行求解,得到油层多孔介质在内热源作用下的温度场分布。研究油层多孔介质内部温度场分布对原油开采有重要指导意义。     

基于计算流体力学数值模拟的板式热交换器传热与流动分析

以新型鼓泡板式热交换器作为研究对象,通过计算流体力学软件,对鼓泡板冷、热两侧通道进行了数值模拟。板内流体流动研究表明,相同流速下,冷侧通道流体湍流强度高于热侧,压力损失也高于热侧;热侧通道由于扭曲泡相互接触造成阻挡作用,相较于冷侧通道,传热效果较差。将数值分析结果与试验值进行了对比,验证了数值分析结果的准确性,该数值分析结果对改善板式热交换器传热效率有一定指导意义。     

A Computational Scheme for Fluid Flow and Heat Transfer Analysis in Porous Media for Recovery of Oil and Gas

A finite-element scheme has been formulated, which is capable of solving transient analysis of both conductive and convective heat transfers due to fluid flow in porous media. The model also includes the latent heat effect to consider the phase change aspect of a frozen medium. To test the validity of the model, it was applied to six cases for which analytical solutions are available. The test cases cover (i) single-phase fluid flow through porous media, (ii) radial conduction with and without phase change, (iii) conductive and convective heat transfer in an aquifer, and (iv) two-phase immiscible flow in porous media. In all these cases, good agreement with analytical solutions are observed validating the computational scheme. This computational scheme should be useful in solving frozen ground problems, thermal stimulation technique for natural gas recovery from hydrates, and single-phase and two-phase convective heat transfer problems in enhanced oil recovery scheme in petroleum engineering.     

超重机内多孔板填料上气液流场的计算流体动力学模拟

采用Fluent软件对填料内径65 mm、外径250 mm的超重机内多孔板填料上的气液流场进行模拟研究。模拟结果表明,填料上的液体速度场分布不均匀;填料转速对液体的切向速度场有影响,液体入口速度对径向速度场有影响;填料上的气体静压力场分布很有规律;填料转速对气体干床压降的影响很小,气体流量对干床压降的影响较为明显;当填料转速为0¹ 000 r/min、液体入口速度为0.31 000 r/min、液体入口速度为0.3⁴.0 m/s时,液滴在填料上的运动轨迹呈螺旋线型,停留时间为0.104.0 m/s时,液滴在填料上的运动轨迹呈螺旋线型,停留时间为0.10⁰.94 s,运动路程为0.130.94 s,运动路程为0.13⁰.45 m;当气体流量为22.80.45 m;当气体流量为22.8¹32.3 m3/h、填料转速为0132.3 m3/h、填料转速为0¹ 000 r/min时,干床压降为71 000 r/min时,干床压降为7¹ 844 Pa。     

基于计算流体力学热流固耦合仿真的换热器折流板结构优化

采用多物理场耦合方法,建立了管壳式换热器的计算流体力学(CFD)热流固耦合仿真分析模型,对20种不同折流板结构参数的管壳式换热器进行了流动与传热的数值模拟。CFD仿真计算结果显示,换热器的折流板间距和折流板缺口高度对流动和传热的影响相互关联,不能进行单目标优化设计。以JF因子作为换热器综合性能的评价准则,对管壳式换热器的折流板间距和折流板缺口高度进行了结构优化设计,提出在换热器内径(d)200 mm、换热管长1 140 mm、并流条件下,该换热器的最佳折流板间距为80 mm(折流板数目为10),最佳折流板缺口高度为0.3d(即60 mm)。     

计算流体力学方法模拟规整填料塔内流体流动行为的研究进展

对采用计算流体力学(CFD)方法模拟规整填料塔内流体流动行为的研究进展进行了综述,分别介绍了单相流模型和两相流模型。单相流模型可预测气相或液相在规整填料塔内轴向、径向的扩散行为及气相的压头损失等;两相流模型主要研究规整填料塔内气液相流动行为,利用该模型可计算液体在规整填料表面的流动过程及气液相间的传质行为,其模拟结果比单相流模拟更接近实际。随流体力学学科和计算机技术及现代测量技术的进一步发展,将会促进CFD技术在化工过程中的应用。     

弹性油藏中多相渗流的流-固-热耦合数学模型

基于对油藏中三大物理场（流体力场，固体力场及温度场）的系统分析，综合运用渗流力学，岩石力学，热力学理论，建立了一个全新的油藏渗流的流－固热耦合模型，该模型假设岩石骨架是可变形的，油藏内热量按热力学定律自由传递，孔隙流体压力和热应力会导致岩石骨架的变形；反之，岩石骨架的变形又会导致储渗特性和孔隙流体压力的改变，还会导致温度场的改变。建立了安全耦合的流体渗流方程、岩石变形方程和温度场方程，三者之间互含耦合项，互不独立，只能联立求解。给出了模型的数值求解思路。该文所建立的模型实现了油藏中渗流、变形，变温三者间真正意义上的耦合，较之已有的油藏渗流模型更能反映油藏的实际，是对油藏传统渗流理论和流固耦合力学理论的发展，能广泛运用于石油工程许多领域，该模型同时也为编制流－固－耦合应用软件提供了理论依据。     

基于CFD的高压聚乙烯反应器腐蚀失效机理研究

根据高压聚乙烯反应器失效的具体位置和形貌,采用CFD方法对夹套系统进行了详细分析,结果表明,由于脱盐水入口管和收缩环间距过大产生了流动死区,使脱盐水不能有效地将反应器产生的多余能量带走,形成高温区,脱盐水处于近沸腾状态,引起严重的汽蚀。同时脱盐水入口管径小于夹套管径形成喷流,导致两管相贯处和入口处夹套两侧壁产成高切应力区,极大加强了冲刷作用。     

Investigation of Low Frequency Elastic Wave Application for Fluid Flow Percolation Enhancement in Fractured Porous Media

In recent years, some numerical models have been proposed to investigate the effects of the elastic wave such as ultrasonic on fluid flow behavior in porous media. Nevertheless, none of these models are applicable to the fractured reservoirs, especially when the fluid is a Bingham plastic. In this work, the model proposed by P. P. Iassonov and I. A. Beresnev (2003) Iassonov, P. P. and Beresnev, I. A. 2003. A model for enhanced fluid percolation in porous media by application of low-frequency elastic waves. J. Geophys. Res., 108: 2138–2146. [Crossref], [Web of Science ®] , [Google Scholar] for flow under exposure of elastic wave in nonfractured porous media is considered and used for development of a new model of steady state flow of a Bingham plastic fluid in fractured reservoirs. The Kazemi's “block and fracture” model assuming negligible vertical permeability in blocks is considered for modeling. In addition, two-phase flow behavior under elastic wave in fractured system is investigated. The results showed that, at higher pressure gradients, vibration amplitude cannot highly influence the fluid percolation, in contrast at lower pressure gradients, the fluid flow through the fractured porous media can considerably be improved by increasing vibration amplitude. Also, it has been found that in two-phase flow systems, wave can increase the produced oil-water ratio in the fractured media. The results of this study can be applied to the fractured reservoir simulations and can be a path breaking to the future studies on the prediction of flow enhancement under elastic wave in the fractured reservoirs.     

泡沫酸在多孔介质中流动形态研究

实验所用泡沫酸FSH-1由氮气和无机酸、有机酸、发泡剂、稳泡剂及其他多种添加剂组成,目前在中原油田已获得广泛应用。采用具有规则网格孔隙通道的平面玻璃微观模型,研究泡沫酸的渗流特点,得到了20组温度(50~120℃)/压力(20~32MPa)条件下泡沫酸的气液比,包括上限、下限及适宜值范围,结果表明形成稳定的连续泡沫流所需的气液比随温度升高略有增大,随压力升高显著增大;考虑到酸的有效穿透深度,泡沫酸的适宜气液比约为0.68。采用平面玻璃仿真微观模型(及规则微观模型),研究了泡沫酸的渗流特性,观测到了以下机理:①泡沫酸在仿真模型中流动时不断发生泡沫破灭和再生,其中包括气泡缩颈分离、液膜分离、气泡变形分割、气泡破裂聚并等现象;②泡沫酸优先进入较大孔道,产生贾敏效应,起液流转向作用;③气液比较大时,泡沫酸以相同流量通过模型时的压差较大;④泡沫酸中气泡大小可以通过气液比进行控制,气液比降低时泡沫中气泡直径减小;⑤泡沫酸连续流过仿真模型可引起模型两端压差持续增大,在规则模型中不发生此现象。图5表1参2。