泡沫金属圆管内沸腾传热的数值模拟

为了解泡沫金属沸腾传热原理,建立了泡沫金属圆管三维物理模型,采用BrinkmanForchheimer扩展达西动量方程和C语言编写气液两相质量传递和能量传递的自定义函数,对泡沫金属圆管中沸腾传热现象进行数值模拟,分析了质量流率、干度对流型、压降和沸腾传热系数的影响。模拟结果表明,在一定质量流率下,单位长度压降随着干度的增大成非线性增长趋势;低质量流率时,随着干度的增大,管内流型由分层流过渡到波状流进而过渡到稳定的波状流,传热系数变小;高质量流率时,随着干度的增大,管内流型由弹状流过渡到环状流,传热系数变大。     

氮气泡沫改善蒸汽吞吐开发效果数值模拟技术研究

单家寺稠油油藏已进入高轮次、高含水、高采出程度开发后期,开发中的矛盾日益突出,蒸汽吞吐效果越来越差,水淹程度日益加剧,单2块和单10块大部分油井的综合含水达到90％以上.结合油藏实际,选取该区块单6-16-10井,利用油藏数值模拟技术,建立三维地质模型;在历史拟合的基础上,对氮气泡沫改善蒸汽吞吐开发效果进行了油藏适应性研究;并在此基础上,优化氮气泡沫在蒸汽吞吐过程中的注入时机、注入方式和注入参数,同时进行生产指标预测.研究结果表明,氮气泡沫在转注初期,以段塞式注入效果较好,最佳注入参数为:泡沫剂质量浓度为0.6％(质量分数),氮气总量为90000m3(标准)左右.自2006年来,该技术在胜利油田应用273井次,平均周期措施增油842t,油汽比提高0.3以上.本研究对氮气泡沫+蒸汽吞吐技术的推广应用具有理论和实践价值.     

考虑应力敏感效应和启动压力梯度的低渗透油藏数值模拟

低渗透油藏存在显著的应力敏感效应和启动压力梯度。流固耦合法对于高温、高压条件下岩石本构特性的确定和岩石物性参数的选取以及初始应力场的确定方面,均存在很大不确定性,加之其求解过程复杂,程序编制困难,实际应用存在很大问题。根据模拟软件中应力敏感处理方法和非达西渗流线性化原理,提出了数值模拟中应力敏感效应和启动压力梯度处理方法和依据。应用本方法对文东低渗砂岩油藏某区块进行了模拟研究。分别模拟考虑应力敏感和启动高压力梯度、不考虑应力敏感和启动高压力梯度(常规模型)、仅考虑应力敏感、仅考虑启动压力梯度对应的油田日产油量、累计产油量、采出程度的关系曲线。数值模拟结果表明:考虑应力敏感和启动压力梯度模型单井日产量较常规模型低,特别是投产初期;考虑应力敏感和启动压力梯度模型累计产油量和采出程度远低于常规模型。     

油藏数值模拟技术在陆梁油田开发中的应用

油藏数值模拟技术是迄今为止定量描述非均质地层中多项流体流动的唯一方法,此项技术在陆梁油田开发生产中发挥了巨大作用。陆梁油田陆9井区油藏具有构造幅度低,储层非均质性强,油层厚度薄,边、底水能量充足特点。开发初期,针对油藏地质特征,对各区块开展油藏数值模拟研究工作,对油藏开发方式、射开程度、临界产量进行评价和论证。经过近10年的全面开发,随着动(静)态资料数量、类型的增加,对油藏的认识不断深化,建立了数值模拟跟踪系统,通过修正地质模型,不断优化开发方式。通过油藏模拟研究,加深了对油水运动规律的认识,摸清了油藏剩余油分布规律,同时,对单井组注采比进行优化研究,为油藏精细注水提供依据,并开展了油水井措施优化研究,确保措施有效实施。此外,针对水平井,进行了可行性和开发方式的研究,为水平井开采边、底水油藏提供了依据。目前,该技术已成功应用于油田的动态调水、老区剩余油挖潜以及水平井设计等工作中,有效改善了油藏开发效果,减缓了油藏综合递减率,确保了油藏持续高效开发。     

液滴撞击不同固体表面的数值模拟研究

采用CLSVOF(coupled level set and volume of fluid)方法,对低We情况下液滴撞击不同固体表面的过程进行了数值模拟研究。分析了液滴撞击平板表面的动态过程,构建了液滴衰减振荡的数学模型,探究了不同的表面润湿性、撞击速度及表面微尺度结构对液滴动态特性的影响。结果表明:液滴撞击固体表面的过程包含铺展、回缩、振荡等多个现象,其最大铺展因子及振荡周期随着表面接触角的增大而减小,随着撞击速度的增大而增大;撞击表面的微尺度结构会对液滴的动态特性产生影响,微尺度结构会对液滴的铺展及回缩运动产生阻碍作用,导致液滴的振荡特性减弱;液滴在矩形沟槽表面达到最大铺展因子的用时最短,在三角形沟槽表面的最大铺展因子最小。     

基于梯度孔隙率金属泡沫的复合相变单元储热性能数值模拟北大核心CSCD

向相变材料中添加金属泡沫可以解决相变材料低导热率引起的换热效果较差等问题,提高系统的整体蓄热效率。然而,复合相变材料的传热性能受金属泡沫孔隙率分布的影响较显著,为进一步提高相变储能单元的传热性能,本工作基于低孔隙率金属泡沫-相变材料(PCM)复合储能系统,建立了一种新的梯度孔隙率金属泡沫结构,通过数值模拟方法,对蓄热单元熔化过程中的熔化率、储能速率、储能总量进行分析,系统研究了孔隙率沿加热方向负梯度分布、正梯度分布对复合相变材料熔化速度和储热性能的影响。研究结果表明,负梯度孔隙率结构可以进一步提高储能系统的储热效率,其中,孔隙率梯度为0.12(案例S-6)时增强效果最显著。在熔化周期的不同阶段,负梯度孔隙率对复合材料的传热均有不同程度增强,对于S-6,在1000 s、2000 s、2600 s时,熔化率相较于均匀孔隙率结构分别增加了0.67%、2.31%、9.90%;随着孔隙率梯度的增加,相变材料的热性能提高越显著,与均匀孔隙结构相比,改进的负梯度孔隙率结构其完全熔化时间最高可缩短7.32%,储热速率可提高8.02%。对于正梯度孔隙率结构,其对熔化速度没有显著影响,但是储热总量可提高0.49%。     

微细直管内甲烷燃烧的数值模拟研究

采用计算流体力学方法对二维微细直管内甲烷和空气的预混燃烧进行了数值模拟,研究了燃烧器尺寸、壁面导热系数、对流换热系数、壁面厚度以及粗糙度对于燃烧的影响。模拟结果显示,燃烧器内径的变化、壁面导热系数、对流换热系数和壁面厚度的变化影响了热量在壁面内的传递和流体内径向温度的传递,使得燃料点燃和燃烧稳定性受到影响,甚至导致燃烧停止。壁面粗糙度增加了燃烧器内流体的扰动,增强了流体与壁面和流体内的换热,导致燃烧稳定性受到影响。模拟结果为设计和开发高效稳定的燃烧器提供了参考。     

带后导叶轴流式通风机内流特征的数值模拟

动叶可调轴流式风机因具有较宽的高效区而得到广泛应用.利用Fluent软件,以OB-84型带后导叶的动叶可调轴流风机为对象,采用SIMPLE方法求解了N-S方程和Realizable k-ε湍流模型,模拟了叶轮径向和轴向特征流面在设计和非设计工况下的内流特征.研究表明:风机总压沿径向逐渐增大,压力面尾部存在高压区,吸力面处存在逆压力梯度,后缘处总压明显降低;偏离设计工况时,后缘处首先产生旋涡,并使部分流体回流,形成较大流动阻力;叶栅流道的总压呈线性增加,且主要来自静压;数值模拟所得风机全压和效率特性曲线与实验结果吻合良好,模拟结果能较好地反映该风机的总体运行性能.     

正韵律底水油藏纵向非均质影响数值模拟研究

非均质性是储层沉积、成岩等地质过程综合作用的结果,是影响油气田产量、最终采收率的重要因素.储层分为正韵律、反韵律及复合韵律三类,对各类韵律储层进行数值模拟前期研究认为,正韵律储层的油气采出程度较反韵律或者复合韵律油藏都差,是一种极不理想的油藏.在开发此类油藏时,试图从地质学角度找到影响正韵律储层采出程度的因素,并认识其影响规律.此项研究以渗透率级差、突进系数及变异系数等三个渗透率参数为基础,定量地表征储层纵向非均质性强度,并运用数值模拟方法,分析了纵向非均质性强弱对正韵律底水油藏剩余油饱和度、含水上升规律及采出程度的影响,从而总结出纵向非均质性对驱油效率的影响规律.研究认为,正韵律储层,其渗透率级差越小,纵向非均质性越弱,油藏驱油效率相对较高,开发生产效果相对较好,但含水上升规律基本无变化.     

山区河流阶梯—深潭结构水力特征数值模拟

为了探究阶梯—深潭结构在不同流量工况下的消能机理,采用紊流数值模拟方法分析研究了阶梯—深潭结构紊动能、紊动能耗散率、流场结构、潭底压力强度等主要水力参数。结果表明,随着流量的增大,平均紊动能耗散率不及平均紊动能增加速率快,验证了阶梯—深潭随着流量的增加消能率会有所下降;小流量工况下深潭内环流区明显,增大了水流滞留潭区时间,能量耗散效果较优;大流量工况下流量的增加促使结构发生自适应调整,水深加大,形成水垫及漩滚耗能,水流阻力增大且维持潭底压差分布趋于平稳,削弱了主流对河床的直接冲刷,有利于河床稳定。     

变质岩潜山油藏开发特征研究

辽河油田兴古7块属于裂缝型块状底水变质岩潜山油藏。油藏多发育中高角度裂缝,具有地层古老、潜山内幕构造复杂、岩性多样、含油幅度大、油层巨厚等地质特征,开发特点为平面上满块含油,纵向分段见油;非均质性强,产能差异大;油藏天然能量不充足,注水难受效;水平井开发效果好;纵叠平错三维井网设计合理,有效发挥重力驱油作用,适用于注气立体开发。运用数值模拟方法,分析该块油藏外在开发指标特征与内在渗流机理的联系,预测各项技术指标后,发现各阶段产量递减率、地层压力、气油比、含水等技术指标变化存在明显节点。依据指标变化节点,将立体开发划分为弹性驱阶段、重力驱阶段、气驱见效阶段、注气突破阶段、注气突破后期五个开发阶段,解决了变质岩潜山油藏立体开发阶段划分的瓶颈问题。该研究对变质岩潜山油藏的立体开发具有理论指导意义。     

基于数值模拟的危岩崩塌特征及防治研究

针对兴山县赵家娅危岩崩塌的高位危岩崩塌破坏,运用数值模拟手段,对区域危岩体稳定性、演化规律及崩塌破坏运动特征进行模拟分析,获得崩塌落石的运动轨迹、弹跳高度、冲击能量等。结果表明,赵家娅危岩在天然状况下稳定性较好,在连续降雨或暴雨条件下,裂隙水逐渐渗透,存在主控结构面失稳发生崩塌破坏的可能;危岩发生崩塌破坏后,大部分落石将停留在坡面上,少部分落石碰撞回弹后停止在坡脚公路;结合现场实际情况及RocFall模拟提出“清危+坡面平整+被动防护网”的治理措施。研究成果可为类似高位危岩崩塌灾害治理工程提供参考。     

甲烷/空气预混气体在微通道中催化转化的数值模拟

用详细化学反应机理研究了微型直通道中甲烷／空气预混气体在镀Pt热壁上的催化燃烧问题．联合使用计算流体力学软件FLUENT和可以计算表面催化反应的化学反应动力学软件DETCHEM,对微型直通道中当量比在0．01～10．0范围之间的甲烷/空气预混气体的催化燃烧进行了数值模拟．计算结果表明,在微尺度催化燃烧中当量比和温度对甲烷催化转化率、转化速度有重要的影响．     

微重力蜡烛火焰特征数值模拟

建立了微重力蜡烛火焰的数学模型。计算与分析表明,火焰的形状由空气动力学特征决定,火焰的温度取决于化学反应动力学特征和火焰的热损失。在静止微重力环境中,自然对流的消失使火焰为半球形。辐射热损失对蜡烛火焰温度（颜色）特征的形成有重要贡献,在静止微重力环境下,化学反应放热速率受氧气扩散速率控制,辐射热损失的冷却使火焰温度低于正常重力温度值。但当环境气体的流动速度加大时,辐射热损失的影响逐渐减小,蜡烛火焰的温度逐渐接近正常重力蜡烛火焰的温度。当氧浓度较小时,火焰峰值温度小于烟黑形成的阈值温度（1300k）;当氧浓度较大时,火焰温度大于黑烟形成的阈值温度。     

地源热泵系统工作井优化布设地下水热量运移模拟

以某拟建地下水源热泵系统为例,针对地缘热泵空调系统工作井优化布设问题,通过建立理想的对井抽-灌概念及数学模型,模拟了特定水流及热源条件下抽水、回灌井不同间距夏季运行期间地下水热量运移过程.数值模拟结果表明,抽、灌井不同井间距对热泵系统夏季运行期间地下水热量运移过程影响显著,该方法为优化布设抽、灌井的合理间距提供了实现热泵系统良好运行的理论依据.     

氢气微尺度催化燃烧的数值模拟

通过耦合计算流体力学软件FLUENT和化学反应动力学软件CHEMKIN并采用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行了数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及当量比Φ和预混合气体入口速度对催化燃烧反应的影响。计算结果表明:表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;当量比Φ对氢气的催化燃烧过程有重要影响;随着入口速度的增大,燃烧过程同时存在表面催化反应和空间气相反应两种控制因素;表面催化反应对空间气相反应的影响能被分成3种类型。计算结果为在微型动力系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据。     

太阳平板集热/储能相变传热的数值模拟

提出了一种高效储能平板集热器模型.该平板集热器中采用相变材料作为储能介质,不需储能水箱及防冻保护装置,因此节约了空间和费用.建立了太阳平板集热器内相变材料(石蜡)二维相变传热及自然对流模型,运用显热容法模拟了平板集热器内泡沫铝中石蜡相变融解传热过程.与平板集热器内填充纯相变石蜡的融解传热过程进行比较发现,泡沫铝可极大地提高相变石蜡的相变传热性能.计算结果为高效储能型平板集热器的开发提供了理论指导.     

炭体系下二氧化碳重整甲烷三维数值模拟

炭催化CO2重整CH4.制合成气是实现煤炭资源的多联产和洁净化利两相流第二相体积份额大小影响的欧拉双流体模型的基础上,结合多个异相催化反应动力学模型,建立了包含传热、传质、化学反应在内的炭体系下二氧化碳重整甲烷反应器三维数学模型.利用该模型对 12 mm实验室反应器进行了三维数值模拟,得到了重整反应器内气体浓度分布、速度分布、以及产物中H2/CO摩尔比等重要参数.数值模拟结果与试验结果基本吻合.对指导重整反应器的放大和工业应用具有指导意义.     

氢气微尺度催化燃烧过程的数值模拟

通过耦合计算流体力学软件FLUENT和化学反应动力学软件CHEMKIN,并运用空间气相和表面催化详细化学反应机理,对氢气和空气的预混合气体在微型管道内的催化燃烧过程进行了数值模拟,讨论了不同反应模型的燃烧特性以及表面催化反应对空间气相反应的影响。计算结果表明：OH浓度的高低可用来判断微型管道内是否发生表面催化反应。由于壁面的催化作用,空间气相反应发生的难度增加,即表面催化反应对空间气相反应有抑制作用;表面催化反应对空间气相反应的影响能被分成三种类型。计算结果为在微型动力系统中实现催化燃烧以及扩展燃烧极限提供了理论依据。