基于稠油掺稀井的光管环空掺稀降黏数值研究

稠油掺稀井筒降黏技术是稠油开采中常用的工艺技术之一,但却面临着稀油资源短缺和稀稠油混合效果差等问题。尽管大多在抽油泵下安装有井下混合器,对改善稠油掺稀井作业工况和提高掺稀降黏效果起到了一定的作用,但井口出油仍然普遍呈现一段稀油一段稠油的段塞状现象,表明混合效果较差,也导致掺稀比例越来越高,严重影响了稠油掺稀开采的综合效益。该文提出了一种基于压力边界的瞬态数值模拟方法,应用Fluent对光管环空掺稀模型进行数值模拟,并结合动网格和UDF技术,实现了抽油泵抽汲运动与流场计算域的联合求解。研究结果直观地反映了井下稀稠油混合的真实情况,揭示了井口出油呈段塞状情况的根本原因,并提出了一种定量掺稀方法,对改善掺稀降黏工艺具有一定的参考意义。     

脉冲爆震发动机燃料空气辅助雾化机理的研究

燃料的雾化、与空气的混合是提高脉冲爆震发动机燃料燃烧爆轰效率的前提。文中利用两相流VOF方法研究了燃料喷雾初始时刻液膜的运动及破碎过程,讨论了空气速度、气液比对液膜破碎的影响,揭示了爆震发动机中燃料空气辅助雾化的机理。结果显示,对于来流速度30 m/s、燃料喷射速度23 m/s的条件,喷雾初期燃料射流在锥形壁面上呈现连续的液膜。该液膜在喷嘴内部涡结构及燃料表面张力的影响下,在距离中心锥顶点7 cm位置处液膜开始破碎,破碎后燃料液滴的粒径与破碎时液膜的厚度满足d_D∝t~(1/3)关系。同时,针对可爆混气形成的二次雾化过程,基于大涡模拟(LES)方法,讨论流场涡和燃料颗粒运动的耦合作用。分析受到涡扩散及惯性力的作用,不同St数颗粒在流场中的分布情况。在气液相互作用中,液滴不断破碎。当初始气液比从0.5增大到3时,爆震室流场距离喷嘴出口26.88 mm位置处燃料颗粒平均粒径减小了约45%。     

基于CIP方法的液滴冲击薄膜数值模拟

该文基于自主研发的气-液二相流数学模型开展了液滴冲击液膜的数值模拟,采用紧致插值曲线(CIP;constrained interpolation profile)方法离散Naiver-Stokes方程,完成速度-压力场的求解,并分析了速度场、压力场随时间变化的过程。采用VOF/WLIC(volume of fluid/weighed line interface calculation)方法重构了自由面,并与SOLA-VOF方法及CIP方法得到的自由面进行比较,验证VOF/WLIC方法对于液滴冲击液膜问题的适用性。通过调整气、液二相流的黏度比值,分析比较了不同黏度比值对模拟结果的影响。结果表明,CIP方法可精准重现液滴冲击过程中的复杂自由面流动现象。     

稠油掺稀多相流动规律及生产参数设计

研究了塔河超深稠油掺稀井多相流动规律。根据不同的掺稀方式给出了超深井稠油掺稀井井筒中流体温度梯度的计算方法。结合掺稀特点,给出了超深井稠油原油物性模拟的修正模型,其结果与PVT曲线具有良好的相关性。通过引入井眼轨迹的描述与计算技术,解决了超深井弯曲井段的多相流计算问题。在此基础上,根据能量平衡及多相流体力学原理建立了稠油掺稀生产动态分析模型,实现了对超深井稠油掺稀生产动态的模拟和分析,并据此可对稠油掺稀比例及生产参数进行优化设计,现场应用收到了良好的效果。     

格子Boltzmann方法模拟双液滴同时冲击固体表面液膜

采用单相自由面格子Boltzmann方法数值模拟了两个液滴撞击同种薄膜的流动过程。计算格子的液体比例系数来追踪气液界面的形状,表面张力效应通过分布函数的重构来引入。数值模拟中分别考虑了液滴以不同速度、不同中心间距撞击液膜的情况。数值计算了两个液滴同时撞击液膜产生水花、发生飞溅,水花相遇并发生碰撞后的流动现象。分析了液滴冲击速度及其水平距离对上述流动现象的影响。     

液滴冲击流动液膜的格子Boltzmann模拟

采用单相格子Boltzmann方法模拟了二维液滴冲击流动液膜的含自由面的流动过程。由定义的质量与密度的比例系数来追踪气液自由面的变化。表面张力通过计算界面格点处作用在流体上的汽液相间作用力加入到模型中。数值模拟了速度比(液膜流动速度与液滴撞击速度的比值)和液膜相对厚度(液膜实际厚度与液滴直径的比值)不同时,液滴冲击流动液膜的过程。与液滴冲击静止液膜时的计算结果和理论分析结果进行对比,分析了液滴冲击流动液膜后产生的流动现象及其内在机理,产生的水花的铺展半径和溅起高度随时间的变化规律,并讨论了飞溅产生条件。     

内循环A/O—MBR处理含油废水的研究

研究了在原有A/O—MBR处理含油废水的设备中加设内循环装置后,系统对废水的处理效果,系统中微生物的变化情况以及系统膜通量的变化。研究结果表明,设置内循环装置后,中空纤维超滤膜(孔径为0.45μm)生物反应器对NH3—N、油、CODCr和TOC的去除具有较为明显的改善,同时反应器中MLSS和污泥颗粒粒径变化明显。NH3—N去除率由原来的70%上升至85%左右;对油的去除效率最高可达99%。系统的膜通量在内循环装置中趋于稳定,一周后达到29.32L/(m2.h),并在一定程度上延缓了膜污染。在MLSS为6000～8000mg/L时,系统的处理效果较好,污泥平均颗粒粒径较大,膜污染的程度较轻。因此,设置内循环装置后,大大提高了系统的处理效果,保证了出水水质。     

基于水气两相流的泄洪雾化机理及规律研究

泄洪雾化是水利工程中常见的水气掺混现象,通常伴随着强风和强降雨,研究其形成机理与变化规律对保障设备、环境和人员的安全具有重要意义。基于水气两相流理论并采用有限单元法模拟了水布垭溢洪道的泄洪过程,从而分析了雾化的形成机理和时空变化规律,讨论了下泄流速和下泄流量对雾化的影响。结果表明:所采用的模型和算法能较好地模拟泄洪雾化过程;下泄水流经溢洪道相对负压区掺气形成高掺气水流,继而在水舌落水点附近受压力梯度驱动释放气体,该过程中产生的水雾和风动是泄洪雾化形成的重要原因。根据风速和雨强等参量的时空变化规律,泄洪雾化在时间上可分为起泄、波动、过渡和稳定四个阶段,在空间上可分为负压影响区、暴雨区、溅雨区、雾流降雨区、薄雾区和无影响区六个区域。随着下泄流速和下泄流量的增加,风速和水雾浓度递增,流体压强先减后增,可为比较不同泄洪工况下的雾化情况提供参考。     

基于格子玻尔兹曼方法的液滴撞击移动液膜过程模拟

采用可调节表面张力的大密度比格子玻尔兹曼伪势模型模拟了液滴撞击移动液膜的过程,并进一步分析了雷诺数、韦伯数和初始液膜运动速度对液冠演化的影响。结果表明:初始液膜运动速度会增大上游液冠处撞击后液膜运动速度不连续性,促进上游液冠变形,同时减小了下游液冠处撞击后液膜运动速度不连续性,对下游液冠演化具有抑制作用;上游液冠高度随雷诺数增大而增大,但不随韦伯数的变化发生改变,而下游液冠高度则随着雷诺数和韦伯数的增大而减小,但雷诺数和韦伯数均不影响到液冠半径的演化;随着初始液膜运动速度增大,上、下游液冠高度减小,但液冠半径增大。格子玻尔兹曼伪势模型模拟结果与试验结果和理论分析一致,证明格子玻尔兹曼伪势模型可以有效模拟复杂液膜条件下液滴撞击液膜过程。     

油田稠油污水深度处理后回用于热采注汽锅炉的试验研究

针对热采注汽锅炉用水水质要求 ,将常规处理后的油田稠油污水经化学除硅、精密过滤及软化工艺处理后污水二氧化硅含量小于 5 0mg/L ,悬浮物和油含量小于 2mg/L ,硬度未检出。经过规模为 10m3/h中试连续试运行 ,热采锅炉炉管未发现有结垢或任何损坏现象 ,证明采用深度处理后的稠油污水代替清水作为注汽锅炉补给水是可行的     

预处理胶粉改性沥青性能影响研究

为研究适用于抽水蓄能电站工程的黏度高、耐老化、温度敏感性低的沥青,采用糠醛抽出油浸润及微波辐射预处理胶粉的方法,制备胶粉改性沥青,并开展室内沥青性能试验,分析糠醛抽出油掺量及微波功率对沥青性能的影响。试验结果表明：随糠醛抽出油掺量增加,沥青针入度和延度提高,软化点和黏度降低,糠醛抽出油掺量为3%时,沥青离析软化点差最小。随微波功率增大,沥青黏度、离析软化点差和劲度模量先减小后增大。综上,在糠醛抽出油掺量为3%,微波功率为1 000 W时,胶粉改性沥青的工作性和低温抗裂性能最优。     

液滴倾斜撞击液膜液冠演化规律

采用可调节表面张力的大密度比格子玻尔兹曼伪势模型模拟了液滴倾斜撞击液膜的过程,分析了不同雷诺数、韦伯数、液膜厚度和碰撞角对液冠演化的影响。结果表明: 碰撞时能量损失随着雷诺数增大而减小,但随着液膜厚度增大而增大;上下游液冠高度均随着雷诺数、韦伯数和碰撞角的增大而增大;同时上下游液冠高度随着液膜厚度的变化呈现先增大后减小的趋势,液膜厚度为0.25倍液滴半径时达到最大值。液冠延伸长度同样随着雷诺数和碰撞角增大而增大,但并不随着韦伯数的增大而变化,同时液冠延伸长度随着液膜厚度增加而减小。     

导流片型旋流场内油滴聚并影响因素研究

导流片型旋流器具有体积小、重量轻和效率高等优点,适用于井下以及海上平台等空间有限的场所。该文通过实验和数值模拟研究了导流片型旋流场中流量、油水界面张力、油相含率、油相黏度及油相粒度等因素对于离散相油滴聚并的影响。研究结果表明:随着流量增加,油滴聚并效果先增加后下降,当流量介于14 m~3/h-16 m~3/h之间时,可以使油滴聚并达到最佳的效果;提高油相含率能够增加大油滴的比例,同时也增加了小油滴的数量,因此在进行油水分离时排出的水相中会残留较多的油相;提高入口油相粒度和降低油相黏度,可以促进油滴的聚并;增大油水界面张力可以减小油滴破碎的概率,提高油水分离效率。这些研究结果对于导流片型旋流器的设计能起到一定的指导作用。     

考虑掺混程度的水气混合流体动力黏滞性模型

水气混合流体动力黏滞性是数值模拟水气混合流体流动的关键参数,其大小受掺气量、水气掺混程度和温度等因素的影响。然而,现有的水气混合流体黏滞性模型大多仅考虑了气体掺量的影响,导致不同模型之间的差异性较大,同一气体体积分数条件下,不同黏滞性模型得到的水气混合流体黏滞系数相差可达到两个量级。该文结合试验测试、理论推导以及数值模拟等手段,提出了一种水气混合流体黏滞性测试方法,利用纯水对该测试方法进行了验证,试验测试结果验证了该方法的正确性和可行性。在此基础上,通过定义表征气体掺混程度的参数,推导了一个能够同时考虑掺气量及掺混程度的水气混合流体黏滞性模型,并分析了水气混合流体黏滞性随掺气量及掺混程度的变化规律。     

停输海管内油水分布变化实验模拟及启动压力预测

根据海洋平台间集输海管的结构,自主设计并搭建了L型稠油-水混输海管停输再启动模拟装置。采用与稠油黏度相当的模拟白油和自来水,实验研究了含水率、静置时间和温度等因素对稠油集输海管停输后水平管与立管内油水分布与运移状态变化的影响,分析了其再启动过程中的壁面应力,建立了再启动压力与油水两相壁面应力的关系式。结果表明:受油水密度差影响,L型管中油相集中分布于立管段;随静置时间的增加,白油-水混合液在油水密度差作用下分别向管道上部和下部运移,0 min-10 min油水运移速率最大;随温度升高,白油黏度大幅下降致使油水运移加速;不同含水率下,相同温度的白油启动壁面应力计算值相对平均偏差约为7.19%,证实了基于油水两相停输分布系数的再启动压力预测具有较高的可靠性。     

液滴冲击液面变形特征及其能量转化研究

采用Navier-Stokes方程和Volume of Fluid (VOF)方法对液滴冲击液面运动过程进行了三维数值模拟研究。该文对界面形态的模拟结果与实验结果进行定性和定量的对比研究。通过分析速度场和压强场,研究了各界面形态的形成机理,并且进一步分析了冲击过程中能量的变化过程。结果表明:冲击过程中速度场和压强场的变化以及能量的传递导致冲击首先形成液坑,当液坑膨胀到最大后,开始收缩,直到收缩到接近水平液面时,开始有中心液柱从液坑中心升起,随后中心液柱破碎生成次生液滴;冲击过程中动能、表面能和重力势能之间不断转化:重力势能和表面能增加,动能减小,反之亦然;液滴冲击速度较大,能量消耗也较大。     

基于混合-浓度模型的泄洪洞内水流掺气数值模拟研究

掺气可以减免泄水建筑物发生空蚀破坏,对水利工程的安全运行至关重要。数值模拟方法具有低成本、无模型缩尺效应和可获得较全面的流场信息等优点,是目前研究掺气问题的有效方法。基于自主开发的NEWTANK数值模型,构建了混合-浓度数值模型用于研究掺气水流,通过对洞内掺气水流进行数值模拟研究发现,计算所得水流流速和掺气浓度与试验数据吻合良好,从而验证了该数值模型研究洞内掺气问题的可行性,此外还发现洞内形成了一个大的气流循环,上方逆向气流速度沿水流方向由2 m/s增大至5 m/s。研究表明：当闸门开度一定,来流水头由5 m增大至15 m时,水体掺气程度进一步加强,造成出口位置近底掺气浓度由0.006增大至0.060,掺气层厚度由0.08 m增大至0.12 m。     

基于LBM伪势模型下的三维大密度液滴撞击壁面数值研究

伪势多相MRT-LBM(多重松弛时间格子玻尔兹曼方法)模型由于理论简单,自动形成两相界面等特点,被大量应用于多相流中的液滴撞击以及气液相变等数值模拟问题。该文基于二维和三维大密度伪势MRT-LBM模型,研究了三维条件下的单液滴和连续双液滴撞击壁面过程。结果表明:三维MRT-LBM能很好地实现对单液低撞击过程的模拟,且能精确地捕捉不同润湿特性下的撞击过程。该模型在液滴碰撞的模拟中与实验结果吻合程度较高,较高的液滴雷诺数与亲水程度有利于液滴在壁面上的铺展。     

高土石坝异型水舌雾化的数值反馈预测

基于挑流雾化随机喷溅数值预测模型的深化认识和实践应用,阐述了高土石坝泄流雾化典型特征,优化了异型水舌和复杂地形的建模方法,并应用于去学水电站的雾化反馈预测。反馈结果显示:最大雨强2.55 mm/h的测点在数值预测的2.00 mm/h雨强包络线内,其余4个实测值小于2.00 mm/h的测点均在数值预测的2.00 mm/h雨强包络线外。预测结果表明:雨强为10.00 mm/h的雾化暴雨防护区,推荐防护范围纵向至计算域x坐标641.64 m,横向范围为计算域y坐标-136.98～295.00 m;风向SSE、风速13.70 m/s的自然风是加剧右岸雾化扩散的最不利风场,推荐自然小雨界值0.42 mm/h为村庄选址区控制雨强,迁址在计算域内x坐标795.60 m下游。研究成果可用于工程泄流雾化危害的科学防控,有助于丰富高土石坝泄流雾化安全防控理论与技术。     

基于最大熵原理的泄洪雾化雨滴谱研究

水电站在泄洪期间,会在下游空间形成大量的粒径大小各异的运动水滴,就构成了泄洪雾化液滴粒径的分布问题。目前泄洪雾化液滴粒径分布采用Gamma函数来描述,属于经验函数的方法,缺乏实际的物理意义。本文将最大熵原理应用于水电站泄洪雾化液滴粒径分布研究中,对挑流泄洪产生的液滴粒径分布进行了研究。研究结果表明：（1） Gamma分布计算的雾化液滴滴谱分布结果存在削峰特征,滴谱分布的众值直径（数量概率密度最大对应的直径）偏向于小粒径方向,且计算的峰值比实验值偏低。（2）仅通过质量守恒为约束推导的最大熵MEM分布的计算的滴谱分布的众值直径明显偏向于大粒径方向,且计算的峰值比实验值偏高。（3）本文构建的MEP分布模型计算的结果与Gamma函数和MEM分布计算结果相比较,均方根误差最低,决定系数最高,更加符合实测数据的变化趋势。