基于MECST气固相间曳力模型的气体-颗粒团聚物流动特性的数值研究

由颗粒非均匀流动结构中各个尺度内能量守恒的角度出发,建立了气固两相流系统的整体和局部参数与气固相间曳力的相互关系,提出了基于颗粒悬浮输送能量最小(MECST)气固相间曳力模型;并将其应用于欧拉-欧拉双流体模型中,数值模拟循环流化床提升管内气体-颗粒-颗粒团聚物的流动特性。考察了时均颗粒相密度和颗粒质量流率沿径向的分布;颗粒浓度、提升管压降沿轴向的分布以及颗粒团聚物在提升管内的分布特性。模拟结果表明,颗粒相密度、颗粒质量流率以及提升管压降与实验结果相吻合;与能量最小多尺度气固相间曳力模型的颗粒浓度和颗粒拟温度的结果相比,MECST气固相间曳力模型得到的颗粒浓度较低,从而使颗粒拟温度减小。     

形状差异的岩屑颗粒沉降规律及曳力系数模型

油气钻井中,岩屑颗粒在井筒中自由沉降会引起沉砂卡钻等问题。为了探究岩屑颗粒沉降规律,开展了模拟岩屑颗粒自由沉降实验。利用沉降实验数据和图像处理技术,计算出10种不同形状颗粒在9种非牛顿流体中的沉降末速度与曳力系数,研究了颗粒形状和流变性对沉降的影响规律,并探究了现有曳力系数模型对非球形颗粒在非牛顿流体中的适用性。结果表明,颗粒偏离球形程度越大,在流体中越难沉降。流体黏度增加可有效抑制沉降的发生,且流体非牛顿性越强,对沉降的抑制作用越明显。现有曳力系数模型不适合描述非牛顿流体中非球形颗粒沉降规律,因此,构建了一种新的形状因子,并结合该形状因子建立了新的曳力系数模型。误差分析结果显示,新模型对沉降实验测量数据具有良好的拟合性,决定系数R²大于0.99。较现有模型预测精度提高了50.5%,预测真实岩屑颗粒曳力系数的误差在15%以内,可较好地描述不同形状岩屑颗粒的沉降曳力系数规律,对提高钻井过程中颗粒流体稳定性具有重要理论和现实意义。     

基于格子Boltzmann方法的页岩气微观流动模拟

页岩中的主要孔隙类型是纳米孔隙,气体在纳米孔隙中的流动不同于在常规孔隙中的流动,其存在微尺度效应,因此基于连续介质假设的达西方程不再适用。由于页岩气藏一般处于高压环境,气体比较稠密,理想气体状态方程也不再适用。而格子Boltzmann方法是一种介观流动模拟方法,其不基于连续介质假设,适用于从滑移区到过渡区的气体流动模拟,并且能够考虑气体稠密性和非理想气体状态方程的影响。基于考虑努森层影响和微尺度效应的非理想气体格子Boltzmann方法,结合镜面反射格式与反弹格式组合的滑移边界条件,采用二维平板模型,研究了孔隙尺寸、压力和温度等因素对微尺度效应的影响,并对影响机理进行了分析。结果表明:努森数是微尺度气体流动的控制参数;在滑移区和自由分子流区,各因素对微尺度效应的影响较小,而在过渡区,各因素对微尺度效应的影响较大;通过表观渗透率与固有渗透率比值随努森数的变化关系,并与常用的页岩气藏表观渗透率计算模型进行对比,验证了目前常用页岩气藏表观渗透率计算模型的准确性。     

不同曳力模型对提升管内气固流动特性的影响

在考虑稠密气固两相流中颗粒具有非均匀流动特性的情况下,提出了基于颗粒团聚效应的气固相间曳力模型,数值模拟循环流化床提升管内气固两相的流动特性。模拟计算时考虑气固相间的作用力,壁面处气相采用无滑移边界条件,固相采用考虑颗粒与壁面的碰撞和颗粒与壁面的简单摩擦作用的壁面边界条件。结果表明,考虑颗粒团聚效应的曳力模型能很好地反映提升管内气固两相流动特性,模拟结果比应用Gidaspow曳力模型的计算结果更接近文献[16]的试验结果。     

基于格子Boltzmann方法的页岩气藏气体滑脱效应分析

页岩气藏纳米尺度孔隙发育,气体渗流规律受滑脱效应影响显著。当气体在纳米孔隙中渗流时,基于连续介质建立的常规渗流模型已不能准确模拟页岩气微观渗流特征。为了达到提高页岩气藏产能预测精度、指导压裂施工设计的目的,必须准确分析页岩气藏气体滑脱效应。利用格子Boltzmann方法,建立页岩气渗流模型,确定反弹—镜面组合边界条件,对页岩气藏气体滑脱效应进行模拟分析。结果表明:孔隙直径和努森数是表征页岩气藏气体滑脱效应强度的决定性参数;孔隙壁面附近气体滑移速度沿孔隙通道呈近似线性缓慢增长,在出口端增幅加剧,该现象验证了气体压缩效应及稀薄效应理论;气体滑移速度会随努森数的增加而增大,气体渗流进入滑移区后滑移速度增幅加剧,基于连续介质方程建立的模型局限性更加凸显;页岩储层表观渗透率会随努森数的增加而显著增大,当努森数大于0.1后,Klinkenberg模型不能精确表征气体滑脱效应。     

曳力模型及镜面系数对鼓泡床气固流场的影响

为获悉曳力模型和镜面系数(ψ)对鼓泡床内流动特性的影响规律,利用颗粒动力学理论和欧拉双流体模型对鼓泡床内气固流场进行了数值模拟,考察了床层膨胀率、压降以及颗粒速度特性。实验结果表明,De Felice模型对于床层压降预测效果最好,Wen-Yu模型的固含率径向分布和颗粒速度矢量预测与实验值误差较大,Gidaspow与De Felice模型床层膨胀量接近,而De Felice模型的径向速率分布与实验值最接近;随着鼓泡床内表观气速的增加,De Felice模型对床层膨胀率的预测愈加接近实验值;随着ψ增大,壁面附近固含率较高,曲线波动梯度增大;当ψ=0.1时,固含率分布与实验值最接近,表明颗粒与壁面动量互换效果最好。     

多孔介质通道内非混相驱替过程的格子Boltzmann方法模拟

针对CO_2泡沫相与原油体系,基于Shan-Chen伪势格子Boltzmann模型,耦合液-液、液-固间相互作用力与界面张力、液固润湿性之间的关系,对多孔介质通道内CO_2泡沫驱流动规律进行数值模拟,研究了雷诺数(Re)、毛细数(Ca)和壁面润湿性对非混相两相驱替流动中黏性指进的影响。实验结果表明,随Re和Ca的增大,黏性指进显著发展,驱替效率降低;壁面润湿时,无明显指进现象,而当壁面非润湿时,黏性指进较为明显,且随非润湿性程度的增加而愈发严重。在进行两相驱替流动时,需综合物性及驱替流体与固壁的润湿情况,确定驱替流体的注入条件,以提高驱替效率。     

基于格子Boltzmann方法的页岩纳米多孔介质流体流动模拟

纳米多孔介质中受限流体流动机制对提高页岩油采收率、水净化等科学和工程应用至关重要。以理论方程和分子动力学模拟(MDS)结果为基础,基于格子Boltzmann方法(LBM),建立了局部表观黏度-LBM(LAV-LBM)孔隙尺度模拟模型来研究纳米多孔介质中流体流动机制,该模型通过局部表观黏度和密度分布将纳米尺度效应(滑移边界、非均质黏度/密度)代入LBM,使LBM模拟过程中无法准确表达的复杂滑移边界条件可以退化成简单易实现的无滑移边界。通过理论方程对比验证、分子模拟-LAV-LBM密度分布验证、理论方程-LAV-LBM速度分布验证结果表明,基于LAV-LBM模型可以有效模拟纳米多孔介质中流体流动规律。基于该模型,研究了纳米尺度效应、多孔介质尺寸、表面润湿性对表观渗透率和增强系数的影响规律。研究结果表明：当接触角约小于70°时,由于高/低近壁面相黏度、低/高滑移速度导致表观渗透率和增强系数减小;表观渗透率和增强系数随着接触角增大而增大,原因是边界滑移速度逐渐增大,近壁面水相黏度逐渐减小;非均质密度导致相同时间内,近壁面相流体体积流量与体相区域不同,非均质密度越强,对流动能力影响越大;孔径越大...     

3D多孔介质渗透率的格子Boltzmann模拟

多孔介质结构的复杂性使其内部的流动非常复杂,通常不加简化就难以求解.格子Boltzmann方法以其无需简化就能处理复杂孔隙结构的优势,成为研究多孔介质流动的一种有效的数值计算方法.从现场采集的彩色铸体剖面图中提取孔隙信息重构了一种接近真实岩石的3D孔隙介质数字岩心.在此基础上,使用格子Boltzmann方法进一步得到能准确求解多孔介质中流动问题的Navier-Stokes方程,用以研究孔隙岩石的渗流特性.该方法对简单模型渗透率的模拟结果与相应的解析解或实验测量结果吻合良好,对某油田6个样品的模拟结果与实验结果的误差不大,说明格子Boltzmann方法可以用来计算实际问题的渗透率.     

不同格子Boltzmann模型在毛细管流动模拟中的应用

格子Boltzmann方法(LBM)在孔隙尺度流动模拟方面具有模型简洁、易于并行计算的优势,对于不同类型的流动状态,相应的理论LBM模型被提出,但理论模型的适用性和准确性仍待研究。针对流体在孔隙尺度层面上的等温不可压缩流动,采用不同的LBM模型进行了建模、编程,计算了单相流体在毛细管中的流动,并将计算结果与对应解析解进行了对比,分析了不同LBM数值模型的数值精度和稳定性。结果表明,在模拟孔隙尺度层面,对于毛细管定常流动,Zou-Hou模型的模拟结果与解析解吻合度及稳定性最高;但在模拟非定常流动问题时,Zou-Hou模型无法求解,应优先考虑He-Luo模型。研究结果为多孔介质流动模拟技术的适用性评价和模型优选提供技术参考。     

海冰与极地钻井立管相互作用数值模拟

明确典型极地半潜式平台钻井立管结构的基本力学特征,采用海冰离散元软件分析慢、中、快冰速下不同水平刚度立管所受的冰载荷及海冰破碎特性。结合已有的柔性窄结构冰载荷模型,发现所研究模型在慢冰速和快冰速下适用于极地钻井立管,但冰速条件不一致。基于ANSYS软件对立管的抗冰性能进行数值模拟,结果表明立管的抗冰性能较差,需要采取抗冰措施。     

水下管汇阻力系数和附加质量系数的CFD计算

深水管汇下放是水下生产系统安全工作的关键技术之一。针对深水管汇下放时受到的水动力,即阻尼力和附加质量力进行分析研究。通过CFD软件Fluent建立管汇水动力计算模型和水下作业环境中绕流场的模型,计算管汇下放3个方向阻尼力及其阻力系数; 利用动网格技术模拟管汇在流场中的加速运动,求得管汇在水中的变速运动带动周围的流体一起做不定常运动所形成的附加质量系数。通过与现有DNV经验数据对比,计算结果误差较小,从而验证了此计算方法的正确性,为船-缆-体的耦合分析计算及下放安装的仿真控制提供参考。     

提升管加床层反应器提升管段下行颗粒的分布及其对流动的影响

 在提升管加床层大型冷态实验装置上,采用PV-4A光纤速度仪测量了提升管段颗粒流动状况,考察了下行颗粒分布及其对流动的影响。结果表明,沿提升管轴向向上,在中下部的加速区和充分发展区,下行颗粒主要分布在无量纲半径r/R≥0.90的近壁区,下行颗粒分率主要受固/气比影响,大固/气比时的截面平均下行颗粒分率大于小固/气比时的截面平均下行颗粒分率;在出口约束区,下行颗粒主要分布区域扩大为r/R≥0.70,下行颗粒分率增加,且主要受出口约束阻力影响,随出口约束阻力增加而增大。从径向看,下行颗粒主要影响近壁区的颗粒速度,考虑下行颗粒影响后,充分发展区的截面平均颗粒速度约为未考虑时的0.8倍,在约束区和加速区较0.8倍略有增大。通过对实验数据的分析,得到了提升管段局部和截面平均颗粒速度在考虑下行颗粒前后的定量换算关联式。     

半浸没圆柱拖曳力系数水池试验

为了对海上粘接式输油管设计进行适用性研究,得到其在不同来流速度和浸水深度的拖曳力系数,在拖曳水池中对不同浸水深度的圆柱进行水动力特性试验。使用3种不同直径的圆柱刚性体模拟输油管,以5种不同的拖曳速度对圆柱进行拖曳,针对5种不同的浸水深度,测量圆柱所受到的水动力,雷诺数Re的变化范围为4.6×10⁴～7.0×10⁵。试验结果表明：不同浸水深度的拖曳力系数存在较大的差异,对于同一种圆柱,在Re一定的情况下,圆柱的拖曳力系数随着水深逐渐增加。此外试验中还观察到阻力危机现象,这与流场的Re有关,并针对该现象进行分析。试验中得出的拖曳力系数结果对实际工程具有一定的指导意义。     

Experimental Investigation and Numerical Simulation of Two-Phase Flow in a Large-Diameter Horizontal Flow Line Vertical Riser

Abstract

As oil and gas field development moves further into deep seas, maximizing hydrocarbon extraction at an acceptable cost is one of the greatest challenges facing the industry today. In this regard, considerable attention has been given to understanding the flow behavior in long and deep flow line risers of different topologies through transient multiphase simulation. However, the application of the large diameter to the above scenario is still an unresolved issue creating a great deal of uncertainty. This is mainly due to the limitation of the available experimental and field data being confined to much smaller diameters.

In view of the aforementioned, an experimental campaign to investigate the flow behavior in a 254-mm nominal-diameter horizontal flow line vertical riser has been performed. A numerical model to study the dynamic behavior of the large-diameter horizontal flow line vertical riser system is also developed using OLGA software with the intention of identifying the capability of this software. This article presents the comparison of the simulation and experimental data in terms of near riser base and flow line pressure variations along with flow regime predictions. The existence of the multiple roots in the OLGA code is also reported for the first time. Additionally, a review on the state-of-the-art application of the code and analysis of the numerical experiment performance of the code are included.     

Numerical Simulation of Particle Concentration in a Gas Cyclone Separator

The particle concentration inside a cyclone separator at different operation parameters was simulated with the FLUENT software. The Advanced Reynolds Stress Model (ARSM) was used in gas phase turbulence modeling. Stochastic Particle Tracking Model (SPTM) and the Particle-Source-In-Cell (PSIC) method were adopted for particles computing. The interaction between particles and the gas phase was also taken into account. The numerical simulation results were in agreement with the experimental data. The simulation revealed that an unsteady spiral dust strand appeared near the cyclone wall and a non-axi-symmetrical dust ring appeared in the annular space and under the cover plate of the cyclone. There were two regions in the radial particle concentration distribution, in which particle concentration was low in the inner region (r/R≤0.75) and increased greatly in the outer region (r/R>0.75). Large particles generally had higher concentration in the near-wall region and small particles had higher concentration in the inner swirling flow region. The axial distribution of particle concentration in the inner swirling flow (r/R≤0.3) region showed that there existed serious fine particle entrainment within the height of 0.5D above the dust discharge port and a short-cut flow at a distance of about 0.25D below the entrance of the vortex finder. The dimensionless concentration in the high-concentration region increased obviously in the upper part of the cyclone separation space when inlet particle loading was large. With increasing gas temperature, the particle separation ability of the cyclone was obviously weakened.     

弯曲扩散管特性与阻力系数的数值计算

扩散管是化工流程系统中的重要管件,其水力损失对整个管道设计有重要影响。通过FLUENT软件对扩散管不同截面上速度的计算值与实验值对比、扩散管内部主流速度分布对比以及不同雷诺数条件阻力系数的计算表明,数值计算结果与实验值有一定的一致性。沿程阻力系数和局部阻力系数都与雷诺数有关,并随着雷诺数的减小而增加。弯曲扩散管的扩压能力随雷诺数的减小而降低,水力损失随雷诺数减小而升高。     

粒子冲击钻井钻头喷嘴流场数值模拟研究

为了考察粒子冲击钻井过程中,粒子流经钻头喷嘴的加速过程和流场分布规律,应用Fluent对粒子进入喷嘴后的流动进行数值模拟研究。运用标准κ-ε双方程模型,对双锥度喷嘴粒子射流流场进行仿真模拟,分析了射流压力、围压、粒子直径和粒子质量浓度等因素对粒子射流流场的影响。结果表明,粒子射流加速主要发生在喷嘴收缩段,在等速核前缘速度达到最大。粒子喷射速度和单位时间内通过喷嘴的粒子动能随射流压力增大而增加;粒子浓度越大,单位时间内通过喷嘴的粒子动能越大,破岩效率升高,但粒子浓度过大会导致其流动性差,反而不利于破岩。因此,粒子浓度对其冲击破岩效率的影响主要取决于破岩过程中哪种因素起主要作用。     

渗透率变异系数对聚合物驱油影响的数值模拟研究

研究了渗透率变异系数（Vk）、聚合物注入量和油水黏度比对聚合物驱采收率的影响规律。结果表明,水驱与聚合物驱采收率随Vk的增加而降低。聚合物驱采收率增幅曲线分为3个阶段：稳定段（0≤Vk≤0.3）、上升段（0.3〈Vk≤0.5）和下降段（0.5〈Vk≤0.85）。Vk为0.5时的增幅最大,为17%OOIP。不论Vk大小,随着聚合物注入量的增加,采收率增幅增大并逐渐稳定。Vk增加,聚合物拐点注入量增大,采收率增幅增大。当Vk≥0.5时,增加聚合物注入量可以进一步提高采收率。采收率增幅随油水黏度比的增加而增加,最佳油水黏度比为3∶1。