大导流面柱塞型节流阀冲蚀规律研究

为了探究柱塞型节流阀在节流过程中因受到高速颗粒冲击和流体冲蚀而导致节流阀失效的问题,以PCG,2-9/16×15M型节流阀为研究对象,采用欧拉-拉格朗日法和离散模型,研究了不同开度、质量流量、流体速度及颗粒直径对阀座和阀芯的冲蚀规律。研究结果表明：随着开度的减小,节流阀主要冲蚀区域从阀体内腔节流处转为导流面节流处;在不同开度下,随着流速的增加,最大冲蚀率统一呈现上升趋势,并随着开度的增加,上升趋势更加明显;随着颗粒直径的增加,最大冲蚀率呈现上升趋势;随着质量流量的增加,最大冲蚀率不稳定,大体呈现上升趋势;节流阀通常在小开度下工作,小开度的不同工况下,节流阀最大冲蚀位置都处在节流阀阀芯上,将节流口处改为阶梯形结构,通过仿真结果对比,可有效降低节流阀最大冲蚀率。研究结果可为节流阀的进一步优化设计提供参考。     

烟气轮机叶片冲蚀特性数值研究

烟气轮机长期在高温烟气环境服役，烟气中催化剂颗粒持续在流道中冲蚀磨损叶片。利用数值计算方法建模分析了流道内气固两相流动特性和冲蚀特性，探讨了催化剂颗粒直径、导流锥型线、动静叶片轴向间隙和节距比等因素对冲蚀特性的影响。研究结果表明，催化剂颗粒冲蚀主要发生在静叶片尾部边缘、动叶片前缘吸力侧和压力面、动叶片叶顶尾缘区域，动叶片冲蚀情况比静叶片严重。静叶片尾部边缘的冲蚀主要由小直径催化剂颗粒撞击引起，动叶片前缘和叶顶尾部边缘的冲蚀破坏由较大直径催化剂颗粒引起。随着催化剂颗粒直径的增加，颗粒撞击位置逐渐沿叶片高度方向向着叶顶尾部边缘移动，动叶片前缘和叶顶尾部边缘的冲蚀加剧。合理的导流锥型线有助于保持更均匀的颗粒分布，从而减少颗粒集中冲蚀。轴向间隙的增大能缓解动叶片尾部边缘的冲蚀破坏，但气动性能会有所降低。适当增大节距比，能在一定程度降低动叶片尾部边缘冲蚀率密度。     

楔形节流阀冲蚀磨损规律研究

为了明确楔形节流阀冲蚀磨损规律,降低其工作过程中的冲蚀磨损速率,为现场施工提供开度-压降关系的理论依据,基于伯努利方程确定了楔形节流阀开度与节流速度、节流压降的关系曲线。运用两相流计算流体动力学,建立了流体携岩冲蚀楔形节流阀的CFD仿真模型,研究了楔形节流阀开度与冲蚀速率的关系。结果表明,节流阀开度小于40%时,节流压降和节流平均速度较大;开度大于60%时,节流压降和节流平均速度较小且与开度呈近似线性关系;楔形节流阀最大冲蚀磨损位于阀芯楔形面顶部和轴向导流面中间,同时对下游短节内壁面外侧造成强烈冲蚀;阀芯开度小于23%时,冲蚀速率较大且随阀芯开度减小迅速递增;阀芯开度大于23%时,冲蚀速率非常小且与开度呈近似线性关系。研究结果为降低楔形节流阀冲蚀磨损提供了理论依据。     

高压管汇冲蚀磨损规律研究

针对高压管汇在压裂作业时内壁受冲蚀作用导致磨损破裂失效的问题,基于固液两相流和冲蚀磨损理论,利用FLUENT软件研究了高压管汇内壁的冲蚀磨损率和冲蚀离散量分布规律,分析了高压管汇的弯管段曲率半径、弯曲度和管汇内壁直径对管汇冲蚀磨损规律。研究结果表明:高压管汇的弯管出口处发生冲蚀磨损最严重,离散量集中分布在弯管处至直管出口处,而在直管段冲蚀磨损率很小;随着管汇的内壁直径、弯管曲率半径和弯管段弯曲度的增大,管汇的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率减小;随着进口流速的增加,管汇的最大冲蚀磨损率和平均冲蚀磨损率增大。研究结果可为高压管汇的失效、预防以及安全防护提供参考依据。     

液固两相流对活动弯头的冲蚀研究

为了探究流体在输送中对活动弯头的冲蚀规律,以76. 2 mm (3 in) 10型长半径活动弯头为研究对象,建立了该型号活动弯头的物理模型。利用Fluent软件进行仿真分析,分别针对活动弯头的安装角度、流体进口速度、固体颗粒质量流量及固体颗粒直径等因素进行了数值模拟。研究结果表明:流体对活动弯头的冲蚀速率随着安装角度的增加呈现出先增大后减小的变化规律,并且在安装角度为3π/8时冲蚀速率达到最大值;随着流体进口速度的增大,其对活动弯头的冲蚀速率逐渐增大,其增长速率也逐渐增大;冲蚀速率与固体颗粒质量流量呈线性正相关关系;当固体颗粒直径增大时,冲蚀速率呈现出先减小后增大的变化规律,在颗粒直径为150μm时达到最小值,在颗粒直径大于500μm时,冲蚀速率的增长趋于平缓。研究结果可为活动弯头的进一步优化设计提供参考。     

天然气携砂气固两相流在弯管处冲蚀磨损分析

为了研究固体颗粒参数及弯管结构参数变化条件下弯管的冲蚀规律及最大冲蚀位置,基于CFD软件Fluent对弯管进行了网格无关性分析和入口段长度分析来确定最佳分析模型,选用Oka冲蚀模型和Forder壁面恢复模型计算弯管冲蚀,研究了颗粒直径和管径比对弯管最大冲蚀位置的影响。分析结果表明:颗粒速度对冲蚀速率的影响较大,二者呈指数关系,冲蚀速率随质量流量的增加比较均匀,当颗粒直径达到一定大小后,冲蚀速率增加较慢;管道直径和管径增大均会减小弯管的冲蚀速率,管径比对冲蚀速率的影响较大,二者呈现指数关系;颗粒直径基本不影响最大冲蚀位置,而最大冲蚀角度随着管径比的增大而减小。所得结果对管道设计及工程实际安全运营具有一定的指导作用。     

节流器内液-固两相流固体颗粒冲蚀数值模拟

建立了考虑颗粒碰撞的颗粒冲蚀计算模型,该数学模型包括:在Eulerian坐标系下求解连续相流场;在Lagrangian坐标系下运用离散颗粒硬球模型求解颗粒碰撞;应用半实验关联式求解颗粒冲蚀速率。对水力加砂压裂施工中节流器内液-固两相流的固体颗粒运动和冲蚀特性进行了数值模拟。计算结果表明,固体颗粒密集于节流器入口到出口的一段狭长区域内,冲蚀速率随流体速度呈指数性变化。颗粒直径越大,冲蚀速率也越大。节流器内冲蚀最严重的位置发生在距离节流器出口上边缘10mm以内的局部区域。     

射孔工况下多喷嘴水力喷射工具冲蚀研究

大排量高砂比水力喷砂压裂的射孔过程中,高速流动的携砂液会对喷射工具表面产生严重的冲蚀损伤。根据喷射工具本体材料35CrMo钢的喷射式冲蚀实验,得到了半经验的冲蚀计算模型。结合DPM数值模拟方法获得射孔过程中工具内部的液固两相流场分布及壁面冲蚀速率,讨论了液相参数和固相颗粒参数对流经上、下游喷嘴颗粒含量及喷嘴入口区域冲蚀损伤的影响。计算结果表明,当工具内部流动达到稳定时,下游喷嘴的颗粒含量大于上游喷嘴的颗粒含量,下游喷嘴入口区域的冲蚀损伤更为严重,颗粒含量及冲蚀损伤的差异性在使用大排量、高黏度液体和大直径、高密度颗粒时更为严重。为防止因上、下游喷嘴颗粒含量差异较大影响射孔效率的情况,建议在实际生产过程中,使用携砂性较好的高黏度压裂液和低密度小直径的颗粒,在保证作业效率和工具寿命的同时控制施工排量。     

天然气携砂在90°弯管中的冲蚀磨损数值分析

针对天然气携砂弯管冲蚀问题,利用Fluent流体仿真软件进行气-固双相耦合,选用标准k-epsilon湍流模型、E/CRC冲蚀模型对固体颗粒的流场分布、冲蚀速率及冲蚀位置进行模拟,并针对4种不同重力场的流动特性进行分析。结果表明:颗粒质量流量较小时,冲蚀速率随流速呈线性变化,颗粒质量流量较大时,冲蚀速率随流速呈指数变化;冲蚀速率随颗粒直径的增大,呈现先增大后保持平稳趋势;最大冲蚀位置随流速的增加向后移动,随颗粒直径的增大略微向前移动;与重力方向相同的入口或出口位置,冲蚀较严重,和重力方向相同且二次流经过的位置,冲蚀现象最为严重。以上研究结果可为预防管道冲蚀提供理论依据和实际参考。     

注水开发对砂岩储层孔隙结构的影响

以中国东部某油田为例 ,讨论了注水开发对砂岩储层孔隙结构的影响。孔隙结构参数表明 ,注水后砂岩储层的喉道平均直径和喉道直径中值明显增加。孔喉分布的峰态表明 ,由于注水开发的影响 ,喉道的分选程度降低。注水后 ,砂岩储层的退出效率降低 ,最小可流动孔喉直径增大 ,这表示流动主孔喉向大孔喉方向移动 ,而且流动主孔喉控制的孔隙体积也增加了 ,从而导致渗透率提高。注水后砂岩储层的孔隙结构和非均质性均发生了极大的改变。这项研究结果对提高采收率 ,尤其是对制订三次采油方案具有十分重要的意义。     

注水开发对砂岩储层孔隙结构的影响

以中国东部某油田为例,讨论了注水开发对砂岩储孔浊结构的影响,孔隙结构参数表明,注水后砂岩储层的喉道平均直径和喉道直径中值明显增加,孔喉分布的峰态表明,由于注水开发的影响,喉道的分选程度降低,注水后,砂岩储层的退出效率降低,最小可流动孔喉直径增大,这表示流动主孔喉向大孔喉方向移动,而且流动主孔喉控制的孔隙体积也增加了,从而导致渗透率提高,注水后砂岩储层的孔隙结构和非均质性均发生了极大的改变,这项研究结果对提高采收率,尤其是对制订三次采油方案具有十分重要的意义。     

超深井变径连续管冲蚀磨损规律研究

针对超深井变径连续管的冲蚀问题,基于冲蚀理论和固液两相流理论,对变径连续管的井下水平段和滚筒缠绕段进行冲蚀模拟分析,研究变径连续管不同壁厚和变壁厚段的冲蚀情况,采用控制变量法研究排量、含砂比、颗粒直径以及颗粒密度对变径连续管的冲蚀影响规律。研究表明：随着壁厚的减小,变径连续管内壁的冲蚀逐渐减小,变径段的冲蚀要比不变径段的冲蚀小,而且滚筒缠绕螺旋段的冲蚀集中在连续管外侧。此外,随着排量、含砂比、颗粒密度的增加,最大冲蚀速率呈增大的趋势;随着颗粒直径的增加,最大冲蚀速率呈减小的趋势。研究结果对变径连续管的应用具有一定的指导作用。     

连续管反循环冲砂过程的磨损研究

针对连续管反循环冲砂解堵过程中颗粒对管壁造成的磨损问题,采用欧拉-欧拉两相流模型,选择了新的磨损模型并自编对应的用户自定义函数(UDF)接口程序,对水平井斜井段两相流进行了数值计算,研究了不同颗粒体积分数、流体流速、颗粒大小及流体黏性时液固两相流对壁面磨损的影响规律。研究结果表明:高颗粒体积分数下的磨损机理为以磨蚀为主,冲蚀为辅;磨损主要发生在连续管内的外曲率半径处,且无论两相流的流速、颗粒体积分数、颗粒大小及流体性质如何,最大磨损率均发生在斜井段入口附近;流体排量越大,磨损越严重,当排量从200 L/min增加到600 L/min时,最大磨损率从6.06×10~(-11)m/s增加到2.15×10~(-10)m/s。所得结果可为减轻连续管磨损及预测连续管寿命提供理论支持。     

液固环流反应器结构特性对固体流动的影响

在不同的导流筒直径、喷嘴直径和喷嘴位置对液固环流反应器中固体流动行为进行考察。实验结果表明,导流筒直径增加时,固体流速减小。固体相含率先增加后减少,对固体相含率而言,当导流筒直径与反应器直径之比为0 5时,固体相含率最大;喷嘴直径增加时,固体流速和固体相含率都降低;随着喷嘴高度由低到高,固体流速增加,而固体相含率降低。     

基于气-固双向耦合的输气管道最大冲蚀角度预测

弯管作为气田集输管道输送系统中的常用组件,极易受到固体颗粒对管壁的冲蚀破坏。为了研究输气管道的冲蚀规律、 预测弯管最大冲蚀位置,采用Eulerian-Lagrangian 方法计算了管内气、固两相的流动情况,在Eulerian 坐标系下求解气体连续相 流场,在Lagrangian 坐标系下求解颗粒离散相运动轨迹,利用Erosion/Corrosion Research Center（E/CRC）冲蚀模型以及Grant 和 Tabakoff 颗粒-壁面碰撞模型计算管壁冲蚀速率。数值计算过程中考虑了气、固两相之间的双向耦合作用,利用多种模型研究了在 不同弯径比及颗粒直径影响下的弯管冲蚀规律、颗粒运动轨迹及弯管最大冲蚀角度,并提出最大冲蚀位置预测方程。研究结果表明： ①固体颗粒对弯管的冲蚀存在着临界直径,在颗粒临界直径前后的冲蚀规律明显不同;②固体颗粒直接碰撞和滑动碰撞共同作用导 致弯管出现不同的冲蚀形貌,并影响最大冲蚀速率的出现位置;③根据临界颗粒直径以及管道中颗粒运动轨迹提出的冲蚀最严重位 置预测方程能很好地预测弯头处最大冲蚀角度,可以为输气管道冲蚀预测提供参考。     

液固两相流盲三通冲蚀特性数值分析

盲三通内特殊的"气垫"结构可以在节省空间的同时提升管道的抗冲蚀性能。为了分析液固两相流环境下弯管和盲三通内的流场分布,并对比其抗冲蚀性能,分析冲蚀机理,运用CFD-DPM方法对相同直径弯管和盲三通内的流场进行了数值计算。通过对几何模型进行网格无关性验证来确定最佳的网格数量,选用Realizable k-ε湍流模型、McLaury冲蚀预测模型和Forder壁面反弹恢复模型来计算冲蚀速率。分析结果显示:盲三通的最大冲蚀速率明显低于弯管;弯管的主要冲蚀部位位于中心区域的外侧壁面,盲三通的冲蚀区域主要位于相贯线附近和出料管底部;在盲三通内存在缓冲涡,可以阻止固体颗粒对壁面的直接撞击,从而减轻对管道的冲蚀;随着流体流速的增加,冲蚀逐渐加重,且流速较高时,冲蚀速率增加幅度越大;随着颗粒质量流量的增加,冲蚀速率呈线性增加,增长斜率随长径比的增大而减小。所得结果对于管道的设计选用及长周期安全运营有一定的参考价值。     

基于FLUENT的输油管道弯头冲蚀模拟分析与防控措施研究

针对输油管道弯头冲蚀失效的问题,依据现场实际工况,利用FLUENT模拟软件建立相应的物理模型,再将模型应用到输油管道弯头的固液两相流冲蚀规律研究中.数值模拟结果表明:随着集输压力和颗粒直径的增大,弯头的冲蚀率逐渐减小;随着进口流速的增加,弯头的冲蚀率逐渐增大.通过对输油管道弯头冲蚀规律的研究,在管道弯头运行过程中采取相...     

颗粒特性对油气管道双90°弯头的冲蚀磨损影响研究

本文采用模拟方法研究颗粒特性对油气管道双90°弯头的冲蚀磨损影响,发现管道弯头外侧是冲蚀磨损最严重的区域,且远离入口的弯头所受到的磨损较为严重。随着颗粒直径增加,弯头平均冲蚀磨损速率也随之增加,靠近入口的弯头所受到的最大冲蚀磨损速率也随之变大,远离入口的弯头最大冲蚀磨损速率则减小;随着颗粒质量流量增加,弯头壁面最大冲蚀磨损速率和平均冲蚀磨损速率均有所增加,而颗粒形状越接近于球形,则弯头所受到的冲蚀磨损就越小。     

弯曲角度对油气两相混输弯管冲蚀影响研究

冲蚀是导致油气管道磨损的重要原因之一,会降低管道的运行寿命,增加弯管泄漏失效的频率。为了研究弯管角度对冲蚀磨损的影响,分析其内部的冲蚀机理,本文采用了CFD-DPM方法,对不同弯曲角度油气混输弯管的内部流场进行了数值模拟。结果显示,冲蚀速率与弯管角度呈正相关,并且当弯管角度增加至90°时,冲蚀速率会大幅增加,此时最大冲蚀速率为4.609×10-7kg·m-2·s-1,平均冲蚀速率为3.37×10-9kg·m-2·s-1;当弯曲角度较小时,冲蚀主要分布于弯管和其下游直管部分,随着角度增大,冲蚀轮廓逐渐向弯管部位集中;弯曲角度的变化,会减小油滴与下游直管的碰撞频率,并使油滴对弯管的冲击角更易导致冲蚀;弯管角度增大会使其内部的速度梯度范围扩大,从而导致二次流的广泛分布。     

石英砂质量分数对防砂筛管用304不锈钢冲蚀速率的影响

在油气井生产过程中,固体颗粒引起的冲蚀磨损是井下防砂工具失效的主要原因之一。利用自制的喷射式试验装置,以清水为介质,分别研究了石英砂质量分数为0.49%、2.99%、3.21%和5.52%的混合流体对SS304不锈钢材料冲蚀速率的影响。研究结果表明:在冲蚀时间0～50 min,由于石英砂存在尖锐棱角,固体颗粒对SS304不锈钢的冲蚀速率较快,100 min以后冲蚀速率小幅度降低且趋于稳定; 石英砂质量分数为0.49%时,冲蚀速率达到最大; 继续增加石英砂质量分数,材料失质量先略微减小后快速增加,颗粒之间的碰撞消耗动能使得总冲蚀速率降低; 石英砂质量分数增加,材料总失质量增加,但冲蚀速率降低。试样扫描电子显微镜(SEM)结果表明:低石英砂质量分数下,试样表面大而深的冲击坑数量较多,粗糙度提高,冲蚀速率和失质量较高; 高石英砂质量分数下,试样表面只有小而浅的冲击坑,塑性变形和薄片脱落频繁交互作用导致材料失质量增加。说明冲蚀过程中颗粒间相互碰撞因素会导致冲蚀速率降低。试验结果为SS304不锈钢管材在油气田的应用提供了一定参考。