幂律流体偏心环空螺旋流压力梯度的数值计算

为合理设计钻井水力参数,对可视为幂律流体的钻井液偏心环空螺旋流动的压力梯度进行了研究。利用待定系数法对幂律流体偏心环空螺旋流的控制方程进行了变换,得到了压力梯度公式。以可视为幂律流体的CMC水溶液为例,利用有限差分法对该流动的压力梯度进行了数值计算,并分析了内管自转速度、环空偏心度和流量对其的影响。结果表明:环空偏心度和流量是其主要的影响因素。通过比较利用轴向速度数值解求得的压力梯度与利用轴向速度解析解求得的压力梯度,发现二者吻合效果较好,进一步说明文中给出的幂律流体偏心环空螺旋流的压力梯度公式和数值计算方法是正确的,可进一步推广应用。     

幂律流体同心环空螺旋流数值模拟

环空螺旋流是钻井液在钻井作业中常见的一种流型，怎样方便、快速及高精度地计算其流速场与压力梯度是一个重要工程问题。提出直接利用线性化迭代法求解幂律流体在环空中螺旋流的流场及压力梯度，避免了求解非线性方程组而可能出现迭代发散的问题，该线性化迭代算法真实可信，精确度高。使用线性化迭代算法，仅以求解两个三对角线性方程组为一次循环，运算速度快，占用时间少，精度高，收敛性得到可靠保证，是矿场使用的好方法，为矿场作业中水力参数设计提供了科学依据。     

宾汉、幂律流体在偏心环空中流动的计算机仿真

根据1987年Luo和Peden提出的方法,利用数值计算语言MATHCAD并结合现代计算机计算技术,对宾汉、幂律流体在偏心环空中流动做了数值模拟,并与工程上流行的平板模型和当量间距模型进行了比较,指出了它们的不足及使用范围,这种计算方法可以避免盲目使用平板模型和当量间距模型计算所带来的误差.实例计算结果表明,这种计算方法具有精度高、运算时间少、运算速度快、占用计算机存储量小的特点,明显比一般数值计算优越.由这种计算方法与目前工程上应用较广的计算方法相比可以看出,偏心越大,压力梯度越大及流核越大时,平板模型和宾汉简化计算模型、幂律当量间距模型的误差越大,最高分别在14.67%～65.68%、56%～52%以上.在大偏心、小流性指数与小流量时,用该计算方法进行精确计算,可避免因工程设计误差而导致的工程事故.     

地面驱动螺杆泵井杆管环空螺旋流数值模拟

目前多数研究将地面驱动螺杆泵井杆管环空中的井液的流动看作多相流体轴向流动,实际上在高速旋转抽油杆带动及螺杆泵压差作用下,环空液体呈现螺旋流动。根据粘性流体运动方程及螺杆泵井井筒液体运动的特点,建立了地面驱动螺杆泵井幂律流体杆管同心环空螺旋流数学模型。运用不均匀对数网格法和有限差分法求其数值解,并对不同的流场参数进行了敏感性分析。计算结果表明,井液的轴向速度、切向速度、合速度及压力梯度随抽油杆转速的增加而增加,视粘度随转速的增加而减少。在设计螺杆泵井转速时,既要考虑增大产量,又要考虑螺杆泵举升高度及寿命。     

基于PHOENICS的管道螺旋流数值模拟

利用PHOENICS计算流体软件,对流速安放角为5~70°管道螺旋流的形成及衰减规律进行数值模拟研究。数值模拟时在柱坐标下采用二次迎风格式离散动量方程和湍流能量方程,采用有限容积法和标准κ-ε两方程湍流模型。研究结果表明,流速安放角在5~30°之间变化时,所产生的螺旋流具有比较合适的切向和轴向速度,也有利于清除管道内的沉积杂质和积水;由于螺旋流的旋流分量很容易因管壁的摩阻作用而衰减,需采取适当的继旋器以维持旋流;管道螺旋流切向速度随管径的增大而增大,最大流速出现在近管壁处,这对带走管道中的沉积物十分有利。     

螺旋折流板换热器壳程流动与传热数值模拟研究

借助Fluent软件，建立了螺旋折流板换热器壳程通道的三维物理模型，采用RNG κ-ε模型，对壳程内的流动与传热进行了数值模拟研究，得到了不同雷诺数下换热器内的速度矢量、温度分布，即平均阻力系数及Nu数。结果发现，壳程的流动为近螺旋线流动，存在局部回流与流线短路；流体在折流板迎风侧的流动较理想，但背风侧流动需要进一步改善。类比定律分析表明，螺旋折流板换热器的流动虽然比弓形折流板理想，但还远没有达到理想的协同状态。     

偏心环空幂律流体层流螺旋流流量及压降计算

在石油钻井中,特别是在定向井、水平井的正常钻进时,井眼中的上返泥浆液流属于偏心环空层流螺旋流流型。钻井泥浆(一般视为纯粘性非牛顿流体)的层流螺旋流问题,国内外学者研究的较少,而对圆管内及同心环空流场研究较多。在定向井、水平井数量日益增加的今天,深入研究偏心环空中钻井泥浆层流螺旋流问题,就成为当务之急。为此,本文将泥浆近似地当作纯粘性幂律流体,依据流体力学原理,比较深入地研究了幂律流体在偏心环空中流动规律,探讨了信心环空中幂律流体层流螺旋流流场分布,提出了计算偏心环空中幂律流体层流螺旋流流量及压降的新方法,同时还分析了影响流量及压降的因素,新方法的计算结果与同心环空螺旋流计算结果做了对比,即用前人的有关结论与本文理论及计算方法进行了初步验证,结果表明,本文理论及方法完全正确,可供定向井、水平井钻井施工,水力参数设计时参考。     

梯形迷宫螺旋泵内部流动的数值模拟

结合梯形迷宫螺旋泵的流动特点,在相应的假设条件基础上建立流动模型、简化计算方程组,并给出具体的边界条件。利用有限差分式求得流动模型的数值解,从而得到梯形迷宫螺旋泵内部流动的主要特征。得出进液环腔处产生二次回流现象而导致迷宫泵效率低下,通过在转子进口处增大定、转子之间间隙c而弱化该处的节流降压,通过增大进口液腔的环空体积以降低出口压头损失的结论。所得结论可为梯形迷宫螺旋泵的设计、改进和优化提供有益的参考。     

宾汉流体同心环空螺旋流数值模拟

钻井施工过程中，钻井液在环空中呈螺旋流动，准确又科学地计算这一流动的流场参数对优化钻井水力参数具有重要意义。由于宾汉流体的视粘度与轴向和旋转角速度紧密耦合，宾汉流体的本构方程又是非线性的，以及宾汉流体流核的存在，致使求解宾汉流体在环空中的螺旋流十分困难。通过全面调研。提出了一个直接利用拟线性化迭代法求解同心环空中螺旋流流场和流量，得到了极其重要的、完全有别于幂律流体的流动规律。该算法避开了求解非线性方程组及解析解中极难处理宾汉流体的流核两个难点。使用该算法一次迭代仅求解两个三对角线性方程组，利用追赶法运算速度快。时间短，精度高，收敛性得到可靠保证，为矿场作业中水力参数设计与科学实验提供了一个重要的科学依据。     

幂律流体偏心环空螺旋流计算机仿真

偏心环空螺旋流是钻井作业常见的一种流动,怎样方便、快速及高精度地计算其流速场与流量是一个重要问题.根据1987年Luo和Peden提出的方法,利用数值计算高级语言MATHCAD结合现代计算机仿真计算技术,对幂律流体在偏心环空的螺旋流动做了研究,得到了这种流动的重要规律.从算例可以发现:在其它参数不变的情况下,钻柱的偏心对幂律流体螺旋流轴向流量的影响非常大.最大偏心时,轴向流量是同心时轴向流量的2.635倍,是最小偏心时轴向流量的1.668倍;钻柱的旋转速度对幂律流体螺旋流轴向流量的影响较小,但随钻柱旋转速度的增加,轴向流量有所增大,钻柱旋转速度最大时轴向流量是钻柱旋转速度最小时轴向流量的1.013倍.     

幂律流体在偏心环空中流动的数值模拟

提出了一种在数学上适定的、用于描述偏心环空流场的微分方程,并对工程上常见的两类计算问题给出了求解方法:一是已知压力梯度求流速分布;另一是已知流量求压力梯度。实例计算表明,本算法具有精度高、运算速度快等优点,尤其是对第二类工程问题的计算比现有算法优越。同时,对照文中的数学模型可以发现现有文献中流传甚广、影响很大的算法的错误之处.     

幂律流体在内管做行星运动的环空中流动的二次流

建立了运动双极坐标系下幂律流体在内管做行星运动的环空中流动的控制方程,并用有限差分法对其进行了数值求解,得到了该流动的流函数分布.结果表明:幂律流体在内管做行星运动的环空中流动时出现二次流,且二次流分布与环空内管公转、自转速度的方向和大小以及环空偏心距有关.     

气—幂律两相流体流经截面突缩管的数值模拟

为揭示空气-幂律流体流经截面突变时的两相流动规律,尤其是两相参数沿流向及管截面分布及压降的变化规律,根据气液两相流理论,并考虑幂律流体的本构方程,建立了空气-幂律流体两相流动数学模型。在此基础上,采用商业软件Fluent对空气-幂律两相混合物流经截面突缩管道的流动特性进行了数值模拟,获得了两相参数沿轴向及截面方向的分布规律。研究表明:气相、液相速度及压降随着输入含气量的增大而增大;两相参数在截面突变附近有急剧的改变,但其突变位置却有所不同;另外,两相参数的截面分布沿流程也有所不同。这些研究结果对相关系统的设计提供了理论依据。     

幂律非牛顿流体平面流动的数值计算

提出了一种对非牛顿流体在微观孔道中流动进行模拟计算的改进方法,该方法较以往的方法快速而稳定,从而为进行大量数值实验提供了精确而有效的手段.首先对描述不可压缩幂律流体二维流动的偏微分方程组进行变换,形成流函数-涡度方程组以减少未知量个数.在对微分方程组进行差分离散化的过程中,用不定常解法求解定常问题,对平流项采用迎风格式,用3次样条求解速度场,用自动参数超松弛迭代求解流函数场.利用这一系列改进措施,获得了稳定快速的求解格式.给出了导出方法、计算公式以及程序框图,还给出了实际算例的计算结果,并提出了当前孔隙网络模型计算的改进方向.     

含空心球钻井液分离流场数值模拟

为分析常规旋流分离器在深水含空心球钻井液双梯度钻井中分离回收空心球的可行性,建立了旋流器中分离场的RNGκ-ε湍流数学模型。利用计算流体动力学模拟给定工况下旋流分离过程,分析了旋流器内部压力场、速度分布特征及分离效率,岩屑的分离效率为78.99%,空心球回收分离效率达95.75%。结果表明在深水空心球双梯度钻井中采用常规旋流分离器回收钻井液中空心球可行,同时为改进结构设计、提高分离性能和降低能量损耗提供了一定依据。