压裂过程中节流器冲刷腐蚀数值计算

水力压裂技术的发展具有很大的潜力,但是由于受到冲刷腐蚀的影响,压裂技术受到了限制。运用计算流体力学的方法,根据流体流动的规律,建立了节流器的流固两相冲刷腐蚀的数学模型,采用SIMPLE算法来解上述方程。结果表明,节流器的冲刷腐蚀主要发生在入口段和出口段,且入口段受到的冲刷腐蚀较严重。冲刷腐蚀对节流器的影响随入口压力和压裂液粘度的增大而变严重,随含砂量的变大而减轻。研究结果可为节流器的优化设计提供指导。     

文丘里管冲刷腐蚀数值模拟

目的 预防液固两相流冲刷腐蚀对管道内表面性能的影响,特别是在发生冲刷腐蚀可能性较大的变径管处。方法 基于计算流体力学和流固耦合原理,通过CFD中流固耦合技术,利用标准k-?涡流进行数值分析与离散相模型（DPM）进行流场分析。探究冲蚀角度、流体速度、固体颗粒粒径、颗粒质量流量对文丘里管冲刷腐蚀行为的影响规律,预测变径管处发生冲刷腐蚀行为的位置及严重程度。结果 文丘里管收缩角度从10°增加至70°时,最大冲蚀率先增加到3.82?10?5 kg/(m2?s),而在45°降到最小,后再次增加至6.23?10?5 kg/(m2?s);入口流速从8 m/s增加至20 m/s时,最大冲蚀率从9.44?10?7 kg/(m2?s)增加到5.09? 10?6 kg/(m2?s);冲刷固体颗粒粒径从6.25 μm 增加至300 μm时,最大冲蚀率从8.32?10?7 kg/(m2?s)减小7.64? 10?8 kg/(m2?s);质量流量从0.002 kg/s增加到0.008 kg/s时,最大冲蚀率从8.41?10?8 kg/(m2?s)增加到4.21? 10?7 kg/(m2?s)。结论 冲刷腐蚀行为随着冲蚀角度增大,先增强后减弱,再增强;随流速增大而显著增强;随着粒径增大而逐渐减弱;随着质量流量的增大而增强。在文丘里管的收缩段（节流区）最易发生冲刷腐蚀行为,且管道下半部冲刷腐蚀行为更严重。应采用收缩角为45°的文丘里管、控制流体速度、减少小粒径颗粒及降低质量流量,来抑制冲刷腐蚀行为。     

喷油嘴喷孔流道磨料流光整特性仿真与试验

喷油嘴喷孔流道入口有一定入口倒角和喷孔锥度，能通过提高喷油嘴的燃油雾化效果来进一步提高发动机的效率。通过软性流体磨料对喷孔流道进行加工，使喷孔流道入口有一定的入口倒角和喷孔锥度。结果表明：在5 MPa、8 MPa的入口压力下，使用平均粒径为5μm、质量分数为25%的软性磨料加工800 s后，测得喷孔入口倒角曲率半径分别为0.018 mm和0.010 mm，喷孔流道锥度为1°和3°。在不同的入口压力下，通过polyflow软件对软性流体磨料在喷孔流道的流动特性进行了分析，并通过试验进行验证，发现仿真与试验结果误差在允许的范围内，证明了数值分析的可靠性。     

π型管的冲刷腐蚀数值模拟

目的 基于液固两相流体在管道流输的情况,研究π型管在不同影响因素作用下的冲刷腐蚀程度。方法 目前对π型管的研究尚少,因此确定模型为π型管。针对输气管道中π型管冲蚀磨损失效的问题,运用Ansys fluent软件中的DPM模型和k-ε模型,针对通入气液两相流介质时,液体中颗粒冲击π型管壁面的问题开展数值模拟研究。运用控制变量(管道进口流速、颗粒质量流量、颗粒直径)的方法,观察不同参数对π型管磨损的影响情况。结果 π型管存在A、B两处腐蚀。在一定范围内增加π型管的入口流速,整体最大冲蚀率也发生明显改变,且逐渐递增。在一定范围内增加π型管内固体颗粒粒径,整体最大冲蚀率也发生明显改变,且逐渐减少。在一定范围内增加π型管的质量流量,整体最大冲蚀率也发生明显改变,且逐渐递增。结论 A处的腐蚀范围大于B处的腐蚀范围。整体的最大冲蚀率随着流速的增大而增大。速度越大,流体的曳力越强,对腐蚀程度造成的影响越大。整体的最大冲蚀率随着质量流量的增大而增大。速度增长与最大腐蚀率近似可以看成线性增长,存在正相关关系。改变几组不同粒径颗粒的质量流量,观察整体最大冲蚀率与质量流量近似成线性相关,存在正相关关系。整体的最大冲蚀率随着颗粒直径的减少而逐渐减弱。颗粒直径越小,流体所携带的颗粒能力越强,造成的腐蚀程度越强。通过对比分析不同参数腐蚀程度,从而预测出冲蚀最容易发生腐蚀的位置为A、B两个弯头处。     

流速对油管用N80钢CO2腐蚀行为的影响

采用高温高压反应釜进行腐蚀模拟试验,采用失重法、SEM等手段研究了流速对N80油管钢CO₂腐蚀行为的影响。结果表明,N80油管钢在100℃,0.6 MPa CO₂分压时随流速的增大,腐蚀速率几乎呈指数形式增加。低流速时,N80钢腐蚀以全面腐蚀形态为主,流体冲刷的作用有限,但当流速增加以后,局部腐蚀形态愈发明显,流体冲刷显著加剧局部腐蚀的作用。     

钛合金等通道转角挤压中背压因素的影响

研究了钛合金等通道转角挤压中背压因素的影响。结果表明,随着背压增大,试样通过模具底部转角的外圆角逐渐减小,变形更加均匀,并且随着背压的增大,所需挤压载荷增大,对模具及挤压设备要求提高。温度场总体变化不大,在底部区域温度场较无背压时均匀。试样底部的最大等效应变也随着背压的增大而逐渐增加,但背压过大会造成等效应变分布不均。最大主应力随着背压的增大而减少,降低了试样表面的开裂倾向。     

数值模拟油气管线弯管处固液两相流场特性及冲刷腐蚀预测

为了定量描述输油管线弯管处由于流体方向改变引起的流场特性变化和管道内部冲蚀损伤过程,在Workbench平台下利用Fluent建立了90°弯管冲蚀物理模型,获得了弯管管壁压力、剪切应力以及流体流速的分布规律。结果表明:弯管处流场变化复杂,是此处管道严重冲刷腐蚀的原因;弯管外侧冲刷腐蚀最为严重,出口直管段的冲刷腐蚀次之,入口直管段及弯管内侧几乎无冲刷腐蚀;较大直径的砂粒会携带更大的动能和冲击力,从而在管壁上形成更加严重的冲刷腐蚀。     

蒸汽喷射器内的激波效应对喷射性能的影响

利用Fluent软件对蒸汽喷射器内二维流场进行数值模拟计算,研究工作流体压力、背压、喷嘴位置对喷射性能的影响,并对喷射器流场内激波的产生、发展和结束进行了分析。结果表明,蒸汽喷射器工作流体压力、工作背压、喷嘴位置在特定的工况下都具有相对应的最优值。激波产生和结束的位置对喷射器性能影响很大:当第一激波由喷嘴出口产生并延伸到混合段出口附近时结束、第二激波在扩散室入口附近结束时,引射系数最大;当激波过早或过晚结束时,都会影响喷射器的性能。     

90°竖直弯管的液固两相流冲刷腐蚀模拟

以液固两相流条件下的90°竖直弯管为研究对象,建立冲蚀模型,利用ANSYS-Fluent软件对A、B、C、D四种流向的弯管进行冲刷腐蚀数值模拟。同时建立室内冲蚀试验平台,分析了颗粒入口流速、粒径和质量流量三个参数对四种流向条件下弯管的冲蚀破坏规律并与模拟结果进行对比。结果表明:试验结果与模拟结果基本吻合,入口流速和粒径对弯管的冲蚀影响最大;且随着颗粒入口流速的增大,流场中开始出现二次流。当颗粒入口流速较小时,A型流向条件下弯管的冲蚀破坏最严重;而当颗粒入口流速较大时,由于二次流加剧冲刷,B型流向条件下弯管的冲蚀破坏最严重,A型、C型流向条件下的次之,D型流向条件下的弯管冲蚀破坏最小。     

基于CFD的泥水盾构舱体流场特性研究

为解决泥水盾构机舱体结构设计不合理导致的刀盘胶结泥饼问题,以济南黄河隧道工程为例,建立泥水盾构机舱体简化模型,并基于CFD数值模拟方法探究泥水盾构机舱体内刀盘开口率和刀盘厚度对舱内泥浆流动性能的影响。结果表明：刀盘开口率的增大会使得刀盘受力与舱内流体速度减小;当开口率为50%时,开挖舱内的平均压力明显大于其他开口率方案中的压力;刀盘厚度与刀盘受力的关系随着入口速度的变化而变化,开挖舱内的压力基本不受刀盘厚度变化的影响,舱内流体速度随着刀盘厚度增加呈增幅减小的增大趋势。根据仿真结果得出舱内刀盘受力、流体速度、开挖舱平均压力与进浆流速的函数关系以及推荐的刀盘结构参数,并成功应用于济南黄河隧道工程。     

高温高压条件下流速对X70钢CO2冲刷腐蚀行为的影响

目的 研究X70管线钢在高温高压CO2饱和溶液中不同流速下的冲刷腐蚀行为。方法 通过流体动力学模拟的方法,获得不同喷射流速下壁面切应力的变化规律。采用喷射冲击试验装置,利用扫描电镜、表面形貌测试仪、维氏硬度仪等设备和失重测量方法,分析喷射速度对X70管线钢CO2冲刷腐蚀行为的影响。结果 随着喷射流速Uexit的增大,试样表面的壁面切应力和壁面压应力逐渐增大。随距喷射中心距离(径向距离)的增大,壁面切应力先增大后减小,壁面压应力急剧减小。在低流速(Uexit≤10 m/s)情况下,最大壁面切应力所对应的特征攻角大约为23°;当流速Uexit≥20 m/s时,特征攻角迅速增至45°左右,且变化很小。试样表面形貌表现出明显的三个区域:停滞区、过渡区、壁面喷射区,且在低流速下,三个区域划分更为明显。在20 m/s喷射速度下,壁面切应力呈现中心轴对称变化,为“M”形状,试样表面的冲蚀轮廓(冲蚀深度)呈现中心对称的“W”形状变化,大约在距中心滞点4 mm左右,即最大壁面切应力附近出现最大冲蚀深度,约55 μm。试样表面硬度随径向距离的增大而减小,中心停滞区硬度高达340HV10。喷射流速从10 m/s增加到40 m/s时,冲蚀速率由11.86 mm/a增加到32.97 mm/a。结论 X70管线钢的典型形貌特征与喷射流体的壁面切应力大小和CO2腐蚀有关,最大壁面切应力处产生的冲蚀最为严重,冲蚀速率(Rcorr)与喷射流体的流速呈现线性关系,即Rcorr=4.861+0.714×Uexit。     

注多元热流体环境下流速对N80钢腐蚀行为的影响研究

目的 研究不同流速条件下N80钢在注多元热流体环境中的腐蚀特征,探究流速变化对N80钢腐蚀行为的影响规律及机理。方法 利用自制高温高压多相流冲刷腐蚀环路装置模拟不同流速(0、0.5、1.0、2.0 m/s)的注多元热流体环境,采用失重法计算不同流速下N80钢的平均腐蚀速率,并同时进行原位电化学测试。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对不同流速条件下N80钢腐蚀后的腐蚀产物物相组成和表面微观形貌进行分析。结果 N80钢在注多元热流体环境中的平均腐蚀速率随着流速增加而增大。流速增加影响O2的扩散传质过程、近表面离子分布和壁面剪切力的大小,使腐蚀产物膜特征发生变化。0 m/s时,腐蚀产物主要由FeCO3和少量Fe2O3组成,为单层膜结构,腐蚀形态为均匀腐蚀。0.5~2.0 m/s范围内,腐蚀产物种类增加,主要由FeCO3、Fe2O3和少量FeO(OH)组成,呈双层膜结构,同时N80钢表面腐蚀产物膜出现鼓泡,且随流速增加鼓泡数量增加,去除腐蚀产物膜后发现鼓泡下方存在局部腐蚀。原位电化学测试结果表明:随着流速增加,塔菲尔极化曲线的阳极斜率增大,阴极斜率减小。电化学阻抗谱测试结果表明,N80钢表面外层腐蚀产物膜电阻Rf1、电荷转移电阻Rct和扩散电阻W随流速增加而减小。结论 流速增大加快了O2的扩散传质过程,使得腐蚀电化学控制步骤由阴极氧扩散过程转变为阳极溶解过程,且试样表面保护性FeCO3膜厚度减小,导致产物膜保护性降低。另外,Fe²⁺更容易被氧化形成Fe³⁺,局部FeCO3被氧化成为Fe2O3,破坏了内层膜的完整性,导致局部腐蚀发生。     

金属材料实海冲刷腐蚀检测

利用自行设计的ZS-1型实海冲刷腐蚀实验装置,在舟山海水腐蚀试验站对3C船板钢进行了连续72 h的冲刷腐蚀实验,用电化学阻抗谱等测试技术进行了腐蚀检测.结果表明:海水流速为1 m/s、2 m/s和3 m/s时,随着冲刷时间的延长,3C钢的腐蚀速度呈下降趋势.流速在1 m/s-6 m/s内,3C钢的腐蚀电位随着流速的增加逐渐升高,电化学阻抗谱为单一容抗弧,呈活化控制特征.随着流速增大,电极受到的表面切应力增大,电化学反应阻抗减小,极化阻力(Rr)随流速的变化基本呈线性下降的关系.     

低压铸造ZAlCu5MnCdVA合金件密度研究

研究了保压压力、壁厚和位置对低压铸造ZAl Cu5MnCdVA合金铸件密度的影响规律。结果表明:在相同壁厚下,随着保压压力的增大,铸件的相对密度逐渐增大。壁厚在5、45 mm时,相对密度随着保压压力的增大而平缓增大,保压压力对提高相对密度的效果不明显。壁厚在15、25 mm时,相对密度随着保压压力的增大而稳定增加,保压压力对提高相对密度的效果明显。在相同保压压力下,在5～45 mm内,随着壁厚的增大,铸件相对密度先增大后减小。壁厚在15 mm时,相对密度达到最大值。当壁厚从5 mm增加到15 mm时,相对密度小幅度增加,当壁厚超过15 mm时,相对密度显著下降。     

铜带连续挤压两次扩展成形力学模型

以TLJ500连续挤压机为模型,将具有两次扩展成形的连续挤压型腔划分为3个变形区,利用上限法建立各分区挤压力的力学模型,得出扩展腔入口单位挤压力与产品断面尺寸、形状复杂系数的关系。结果表明,对于一定的腔体结构,在产品厚度一定时,产品宽度与扩展腔入口挤压力呈线性关系,即挤压力随产品宽度的增加而增加;在产品宽度一定时,扩展腔入口挤压力随产品厚度的减小而增加,当厚度<12mm时,挤压力随着产品厚度的减小急剧增加;扩展腔入口挤压力随着产品形状复杂系数的增加而增加。     

天然气水合物喷射破碎压控滑套冲蚀磨损特性研究

目的 研究天然气水合物开采过程中,钻井液对喷射破碎压控滑套冲蚀磨损的影响规律及主要影响因素.方法 基于欧拉-拉格朗日算法的DPM模型,建立了滑套冲蚀磨损数值分析模型,预测了压控滑套在使用过程中易发生冲蚀磨损的区域.探究了不同的钻井液粒径、入口液相流速、质量流量及封堵块位置的变化,对冲蚀磨损过程的影响规律.结果 压控滑套的易冲蚀区域为封堵块面、过流通道口、内壁面三个位置.在控制单因素变量条件下,易冲蚀区域最大冲蚀率和冲蚀面积随着粒径增大而增大,粒径从0.1 mm增大到1.1 mm时,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了63.4倍,并在不同粒径段呈现不同变化趋势.随着封堵块与滑套距离减小,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增加,距离从50 mm降低到5 mm时,平均最大冲蚀率增大了3.8倍,并在不同的距离段呈现不同变化趋势;同时随着封堵块与滑套距离减小,内壁面的冲蚀面积降低明显,封堵块和过流通道冲蚀面积没有显著变化.随着入口流速和流体质量流量的增加,易冲蚀区域最大冲蚀率呈现指数增加,流速从6 m/s增大到14 m/s时,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了9.5倍,流体质量流量从0.001 kg/s增大到0.007 kg/s时,易冲蚀区域平均最大冲蚀率增大了5.6倍,但冲蚀面积都没有显著变化.结论 滑套封堵块面、过流通道和内壁面最易发生冲蚀破坏.冲蚀颗粒直径应该小于0.3 mm为宜,封堵块与滑套距离应该大于30 mm,同时入口流速和质量浓度越小,冲蚀情况越好.综合最大冲蚀率数值及增长倍数分析,粒径是冲蚀率增长的主要因素.该研究为喷射破碎压控滑套的设计和应用提供了指导意义.     

水力喷砂压裂过程喷嘴冲刷腐蚀数值计算

喷嘴是水力喷砂压裂技术中最重要的部位,在施工过程中容易发生冲刷腐蚀,喷嘴的使用寿命因此缩短。运用计算流体力学的方法,建立了喷嘴冲刷腐蚀的数学模型,在介质腐蚀性一致的条件下,研究入口压力、含砂量、颗粒大小和密度、液相粘度对喷嘴壁受到的剪切应力大小的影响。结果显示,喷嘴冲刷腐蚀最严重的部位是入口处,入口压力和含砂量对喷嘴壁剪切应力的大小影响最大。     

弯管液固两相流冲蚀失效模拟分析

目的分析流体参数、砂粒参数、环境参数对液固两相流弯管冲蚀失效的影响。方法利用FLUENT模拟弯管冲刷腐蚀,分析流速、粒径、砂粒质量流量、操作压力、重力方向对弯管冲蚀的影响。结果管内流速从2 m/s增加到10 m/s,最大冲刷腐蚀速率从8.86×10-8 kg/(m2·s)增加到2.45×10-7kg/(m2·s);颗粒粒径从75μm增加到200μm,再增加到550μm,最大冲蚀速率先从2.04×10-7 kg/(m2·s)减小至1.5×10-7 kg/(m2·s),后增加到2.66×10-7 kg/(m2·s);砂粒流量从0.05 kg/s增加到0.25 kg/s,最大冲蚀速率从8.56×10-8 kg/(m2·s)增加到3.20×10-7 kg/(m2·s);管内操作压力从0.1 MPa增加到0.9 MPa,最大冲蚀速率从1.50×10-7 kg/(m2·s)减少至1.25×10-7 kg/(m2·s);弯头出口由垂直向下位置变化为垂直向上,冲刷腐蚀速率从1.50×10-7 kg/(m2·s)逐渐增加至1.86×10-7 kg/(m2·s)。结论流速与冲刷腐蚀呈正相关关系;随着砂粒直径的增加,最大冲刷腐蚀速率先减小后增加;在一定范围内,最大冲刷腐蚀速率随着砂粒流量增加而增加;管内操作压力的变化对冲蚀减弱现象影响不明显;出口垂直向上时,冲蚀破坏最严重。     

含内腐蚀凹陷的压力管道应力应变研究

针对含内腐蚀凹陷的压力管道应力应变,用Abaqus软件研究了球形压头卸载前后的管道凹陷深度、管道内压、腐蚀长度以及腐蚀深度对管道凹陷区域等效应力分布和应变的影响。结果表明,压力管道凹陷深度、腐蚀长度、管道内压越大,凹陷区域的最大等效应力越大,最大等效应力出现在距凹陷中心一段距离的位置,而不是凹陷中心,且向凹陷中心应力急剧减小;凹陷管道的等效应变随着管道内压的增大而增大,管道内压超过6 MPa时腐蚀深度越大其等效应变增长的幅度越大,超过8 MPa时其等效应变增加的幅度更加剧烈,研究结果可为X60压力管道的安全评估提供相应的参考。     

曲轴圆角滚压工艺参数优化研究

在对曲轴圆角滚压加工过程分析的基础上,利用ANSYS有限元分析软件的LS-DYNA模块建立了其圆角滚压动态分析模型;并基于该模型分析了滚压过程中工艺参数对曲轴圆角处塑性变形及残余应力的影响规律。研究结果表明:在滚压力一定时,随着滚压圈数的增加,滚压圆角处塑性变形量和残余应力增大,但达到一定圈数后,塑性变形量和残余应力的变化幅度不再明显。滚压圈数一定时,随着滚压力的增大,塑性变形量与残余应力增加速率随滚压力的增加不断减小。研究结果为曲轴滚压加工过程中工艺参数的选取提供理论依据。