幂律-牛顿流体圆管分层层流的数值模拟

从流体力学中N－S方程出发，建立了幂律－牛顿流体圆管两相分层层流流动的数学模型。通过幂律－牛顿流体两相分层层流的相互作用的流体力学分析，提出了两相流动界面的耦合条件，从而得到了一组完整描述幂律－牛顿流体两相圆管分层流的数学方程，由于非牛顿流体的N－S方程是非线性，求解析解十分困难。通过巧妙的线性化方法，再通过数值求解幂律－牛顿流体分层流的数学方程，得到了对工程实际应用有重要价值的流动规律。应用幂律－牛顿流体圆管两相分层层流的流动规律，可以实现部分高粘幂律流体的高效输送，其节能效果十分惊人。     

牛顿流体-宾汉流体的圆管分层层流的数值模拟

从流体力学中N-S方程出发，建立了圆管中牛顿流体-宾汉流体的分层层流流动的数学模型。通过两相分层层流的相互作用的流体力学分析，提出了两相流动界面的耦合条件，得到了一组完整描述两相牛顿流体-宾汉流体的圆管分层流的数学方程，再通过数值求解，得到了对工程实际应用有重要价值的流动规律。应用圆管两相分层层流的流动规律，可以实现高粘宾汉流体的高效率输送，节能效果十分明显。     

预测管线中非牛顿流体紊流的新方法

目前开发出一种预测干线管线中假塑性非牛顿流体在流动过程中何时开始形成紊流的相关新方法。该方法的相关式被简单地定义为紊流状态与层流状态的剪切应力的比值。该比值在层流状态下等于1,而在紊流状态下大于 1。比较该公式与其他公式的计算结果 ,证实了该公式的有效性。该公式的计算结果与实验值之间取得了很好的一致性。     

圆管中赫巴流体层流流动规律的研究

根据流体力学原理，研究了圆管中赫巴流体结构流流动规律，建立了速度分布、流量、平均速度、压降及其雷诺数的计算公式，对于钻井液水力参数及流动特性的研究有一定的指导意义。     

水平圆管油水两相变质量分层流压降计算

以往对水平圆管中复杂流体介质的流动规律研究的对象均是对水平圆管单相和气液两相变质量流动,关于存在壁面入流条件的水平圆管油水两相变质量流动的研究较少。为此对水平圆管油水两相变质量分层流动进行了微元分析,考虑壁面入流对其中油水两相变质量分层流动压降的影响,分别对油水两相应用连续性方程和动量守恒方程,得出了水平圆管油水两相变质量分层流动的基本模型和压降计算模型。通过模型求解揭示了在壁面入流条件下沿水平圆管的压降规律,并分析了壁面入流、圆管直径、油相黏度和含水率等主要参数对其中压降规律的影响。计算结果表明,当油相黏度较大时,随含水率的增加,沿水平圆管压降降低;而油相黏度较小时,随含水率的增加,沿水平圆管压降升高。     

判断假塑性流体层流—紊流—过渡流的新准则

这里提出了一个评价在假塑性流体管流中开始出现紊流的新准则。该准则简单地定义为两个粘性剪应力之比。即紊流状况下的剪应力与层流状况下剪应力之比。该比值在层流状况下等于1,在紊流状况下应大于1。通过由本文提出的方程计算出的值与由Ryan和Johnson提出的方程计算出的值进行比较,验证了新准则的有效性和适用性。由本文提出的方程计算出的值与Metzner和Reed、Dodge和Metzner的经验数据也有很好的符合性。     

幂律流体偏心环空间隙雷诺数及层流区域计算方法研究

以平板流模型为基础,提出了幂律流体偏心环空间隙雷诺数及层流区域计算方法.计算实例表明:可用偏心环空间隙雷诺数分析并表征偏心环空横截面上紊流和层流同时存在的现象;可用幂律流体偏心环空层流区域方程确定环空局部层流和紊流区域范围;在偏心度较大情况下,偏心环空幂律流体不易发生完全紊流;偏心环空综合雷诺数大于临界值2100时,幂律流体也可能出现紊流和层流两种流态.     

非牛顿流体偏心环空紊流流动及顶替机理

对石油钻井工程中颇有实用价值的非牛顿流体紊流流场进行了理论研究。首先推导出普遍适用的非牛顿流体紊动微分方程式。在此基础上,导出了适用于偏心环空紊流的运动微分方程式。据此研究了偏心环空非牛顿流体紊流流场及紊流顶替规律。     

宾汉钻井液圆管轴向层流压降的精确计算

在钻井水力参数计算和优化设计等问题中,钻具内及环空中的压降计算是基本的计算。除了与钻具、环空的几何参数有关之外．钻井液的流变性质是影响压降的主要因素。不同类型的钻井液其流变性质是不同的．目前常用的描述钻井液流变性质的模型主要有5种：牛顿模型、宾汉模型,幂律模型、赫-巴模型和卡森模型。     

幂律流体在偏心环空中流动的Hanks稳定性参数

在水平井的钻井和固井作业中,井的环空是偏心环空,而偏心环空不同于圆管和同心环空,它是几何边界不规则的区域,从而给判定非牛顿流体在偏心环空中流动的稳定性带来了巨大的困难。利用幂律流体在偏心环空中流动的数值解,研究汉克斯(Hanks)稳定性参数,得到了如下重要规律:Hanks稳定性参数的最大值和最小值分别在偏心环空的最宽边和最窄边处,符合已有的实验观察结论;Hanks稳定性参数的最大值和最小值总是在靠近钻柱壁的位置处,即层流的失稳点总是从钻柱壁附近开始发生,然后发展到整个环空,这点对钻井和固井是极端不利的;偏心越严重,则在偏心环空的最宽边和最窄边处的最大Hanks稳定性参数相差越大,一般大于5~100倍,这充分地说明了偏心时最宽边处早已是紊流但是最窄边却仍然是层流,符合实验和工程实际情况。表明了汉克斯(Hanks)稳定性参数对水平井的钻井和固井作业中水力参数的科学设计具有重要应用价值。     

On the Analogy between Filtration Flow of Newtonian Fluid and Free Flow of Micropolar Fluid

Analytic solutions of boundary value problems have been compared for two kinds of flow, the filtration of a Newtonian fluid in a Brinkman medium and the free flow of a micropolar fluid. Both the flows are considered in a plane and a cylindrical channel with impermeable walls, where the no-slip condition is applied. An analogy between these solutions has been revealed. The conditions for equivalence of the flows have been formulated.     

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随着石油和天然气混相输送技术的应用和发展，两相管流的理论研究越来越受到重视。为此，提出了圆管中两相分层流动水力特性研究的新方法——旋转坐标轴法，并基于此建立了新的圆管分层紊流流动模型，得出了速度场解析分布式。此外，还用设计的掺气实验装置完成了圆管分层掺气实验，进一步验证了笔者所得出的结论：掺气可实现有效减阻。为油气混输技术的进一步发展提供了有力的理论支持。     

Robertson—Stiff流体管流与环流轴向流动规律研究

RS模式是近年来提出的高精度流变模式,但由于缺乏与之相配套的钻井水力学方面的计算模式,影响了该模式的推广应用。文中从RS流体的本构方程出发,理论上推导了RS流体在钻柱内和同心环空中作轴向层流动时的流速、流量、压耗及流核尺寸的大小。对模式的验证结果表明,文中推导的模式可用于预测钻柱内和环空中水力参数的大小。     

幂律流体偏心环空流场的CFD模拟

在流体计算软件PHOENIcS的VR编辑环境中,在三维直角坐标系下建立了偏心环空流动的物理模型,采用正交网格和湍流模型及壁面函数法,对幂律流体的偏心环空流动进行数值计算,分析了幂律流体下流性指数和偏心度对偏心环空流场中速度、压力分布的影响.结果表明,正交网格和湍流模型及壁面函数法可以很好地反映出偏心环空流动的基本特征,为石油生产中常见的偏心环空流问题的研究提供了理论依据.     

屈服—假塑性流体轴向层流流场分析

文中对钻柱内和同心环空中屈服—假塑性流体轴向层流流场进行了分析,建立了轴向流速、流量、压力梯度、剪切应力,剪切速率、视粘度等参数的数学表达式。求解了钻柱内和同心环空中流核的大小,并与幂律流体及宾汉流体作了对比,绘制了上述参数在钻柱内与环空中的分布规律,为管道和钻井水力参数的设计与制定提供了科学依据。     

赫-巴流体圆管轴向层流压降的数值计算

计算赫一巴钻井液在钻具中的层流压降时,需要求解一个非线性方程,以往通常使用近似公式进行计算.对于求解这个非线性方程,提出了一个数值迭代算法,并对该算法的收敛性进行了证明,给出了最大迭代步数的上限值.理论分析和大量实际算例表明:该算法具有非常稳定的收敛性和非常快的收敛速度,并且能够给出压降的精确计算值.