基于群体平衡理论的管内水合物浆流动特性数值模拟

水合物浆的流动特性对深水油气管道的流动安全保障和水合物法气体储运的工业推广具有重要意义。目前已有的水合物浆液流动特性数值模拟方法存在较多的缺陷及不足,为此本文引入了基于水合物颗粒聚集动力学的群体平衡模型。该模型重点考虑水合物颗粒在流动过程中的碰撞频率、聚并效率、破碎频率及破碎后子颗粒的粒径分布函数,可较好地描述管内水合物颗粒的流动行为。根据文献中的实验装置建立三维几何模型,利用Fluent 14.5软件对上述群体平衡模型和相关固液两相流模型进行联合求解,借此模拟流速及水合物体积分数对水合物浓度分布、水合物颗粒粒径分布和流动压降等水合物浆流动特性的影响。本文模拟结果与文献中相关实验数据吻合良好,可为水合物浆技术的规模应用提供借鉴。     

水平管道水合物浆液流动特性的数值模拟

基于欧拉双流体模型,结合颗粒动力学理论,研究不同水合物颗粒体积分数、不同流速下非均匀颗粒水合物浆液流动过程中水合物颗粒聚集行为、流动压降及浆液速度分布。结果表明:浆液流动压降主要受流速影响,速度越大压降越大。颗粒体积分数在20%—35%,压降变化很小,当颗粒体积分数达到55%时,压降明显变大。水合物颗粒聚集程度随流速增大而降低,低水合物颗粒体积分数下,颗粒聚集呈悬浮状。随颗粒体积分数增大,水合物颗粒呈堆积状聚集,易造成管道堵塞;水合物浆速度梯度随颗粒体积分数增大而增大。随流速增大,速度由非对称变成对称分布,出现较大的速度梯度。保障水合物浆稳定安全流动存在一个临界颗粒体积分数和经济流速。数值模拟为水合物浆液管道输送技术的研究提供理论参考。     

天然气井输出管道中流动和换热的数值模拟

建立了模拟气井内天然气向地面流动时其热力参数沿流程变化规律的模型。据此模型探讨了对天然气井实施保温措施的方案,并预估了采用某些保温措施的效果。     

LNG管道热应力分布有限元模拟

介绍了LNG管道保冷结构以及外表面温度法计算保冷层厚度,应用有限元分析软件对LNG低温长输管道算例进行了稳态温度场及热应力场分布模拟计算。计算结果表明：管道和保冷层交界面部位热应力达到最大值,随着保冷层半径的增加热应力逐渐减小。     

多孔材料中甲烷水合物生成的传热数值模拟研究

水合物储运(NGH)是近几年发展起来的天然气储运技术,已具备实现工业化的潜力。但水合物的生长是传质传热控制的反应,因此在放大实验中存在诸多不确定因素。针对该问题,对水合物反应器中多孔材料内甲烷水合物生成传热过程建立了基于化学反应动力学和多孔材料内传质传热的甲烷水合物生成传热数学模型,可用于计算反应器内水合物生成分布和热量分布,指导水合反应器的设计和优化。通过模拟与实验数据对比验证了该模型的可靠性,并对使用了不同热导率填料的水合反应过程进行数值模拟。结果显示,模拟值与实验值的绝对平均相对误差小于6%,生成传热模型准确性高;在水合反应过程中,热量传递是影响水合物生成速率的关键因素之一。导热不良时,易在水合物生成中心部分形成局部过热,对水合物生长造成热抑制。在进行水合物生成放大实验时,应特别注意反应器内部的热量控制。     

多孔材料中甲烷水合物生成的传热数值模拟研究

水合物储运(NGH)是近几年发展起来的天然气储运技术,已具备实现工业化的潜力。但水合物的生长是传质传热控制的反应,因此在放大实验中存在诸多不确定因素。针对该问题,对水合物反应器中多孔材料内甲烷水合物生成传热过程建立了基于化学反应动力学和多孔材料内传质传热的甲烷水合物生成传热数学模型,可用于计算反应器内水合物生成分布和热量分布,指导水合反应器的设计和优化。通过模拟与实验数据对比验证了该模型的可靠性,并对使用了不同热导率填料的水合反应过程进行数值模拟。结果显示,模拟值与实验值的绝对平均相对误差小于6%,生成传热模型准确性高;在水合反应过程中,热量传递是影响水合物生成速率的关键因素之一。导热不良时,易在水合物生成中心部分形成局部过热,对水合物生长造成热抑制。在进行水合物生成放大实验时,应特别注意反应器内部的热量控制。     

水合物降压分解的实验及数值模拟

在天然气水合物一维分解模拟系统上进行模拟多孔介质中水合物降压分解的实验。在考虑天然气水合物分解动力学机理以及流体渗流模型的基础上;建立天然气水合物降压分解的数学模型。利用模型对降压实验进行拟合;获得了多孔介质内水合物分解本征速度常数数量级为10 mol·m^-2·Pa^-1·s^-1;比文献中测定的纯水中水合物分解本征速度常数低3个数量级。对模型进行了参数分析;发现对于实验室规模的一维系统;分解动力学过程控制整个分解过程;而对于现场规模的水合物藏;整个开采过程受水合物藏流动特性的控制;而受水合物分解过程的影响较小。     

基于FLUENT的天然气水合物温度场数值模拟

分析了天然气水合物注蒸汽开采机理,建立了注蒸汽开采天然气水合物数学物理模型,通过数值模拟,对注汽温度、作用时间两个参数进行研究,获得天然气水合物的温度场变化情况。模拟结果表明:当作用时间和注汽温度两个参数同时增加时,他们是相互促进的关系。作用时间增长有利于热量渗入天然气水合物孔隙和天然气水合物表面;注汽温度增大促进了温度场的扩展。故同时增大作用时间和温度对开采天然气水合物是有利的。     

随机分布纤维束间纵向层流流动数值模拟

按层流流动理论,采用数值方法模拟了随机分布纤维束间纵向流动时的量纲1速度分布,讨论了中空膜组件中纤维的装填率对流动阻力系数fRe和纤维束间流量分布的影响,并得到了0.1≤≤0.7范围内的fRe与的关系式。模拟结果表明,对于随机分布的纤维束,纵向流动速度分布不均匀,存在明显的偏流现象;由Voronoi划分所得的子单元通道面积分布与流量分布存在一定的关系,装填率对此关系影响较小。流动阻力系数fRe明显小于相同装填率下纤维按正三角形排列时的数值,它的模拟值与Sullivant和Costello等的实验值基本一致,随装填率增大而增大。     

二项式分布在种群平衡模型模拟粒度分布中的应用

提出了一种适用于几何网格的子粒子二项式分布函数,并应用于种群平衡模型模拟活性污泥絮凝后的粒度分布。结果表明：与二元分布相比,该二项式分布可以得到更准确的粒度分布和平均粒度模拟值;通过校核二项式分布参数C_p的取值,可以提高粒度分布和平均粒度的模拟精度。相比于二元分布或正态分布只能描述一种类型的子粒子分布,该二项式分布具有较强的适应性,调整参数C_p的取值,可以得到更多可能的子粒子分布;参数C_p还可以表征粒子的破碎方式--较小的C_p值表征粒子具有较强的稳定性,易破碎生成较大的子粒子;较大的C_p值表征粒子具有较弱的稳定性,易破碎生成较小的子粒子。     

Experimental influence of kinetic inhibitors on methane hydrate particle size distribution during batch crystallization in water

This paper reports an experimental study of methane hydrate crystallization, crystallization and dissociation cycles are performed in an isothermal and isobaric pressurised stirred reactor. Both methane gas consumption and methane hydrate particles population size distribution (PSD) (calculated from turbidimetric measurements) are recorded. The influence of pressure, stirring and two kinetic inhibitors (PVP and FXAP) is quantified. The crucial moment of the additive introduction (dissolved before or injected during crystallization) is particularly focused on. Finally, the bases of a kinetic inhibition model are raised, introducing a dead zone for crystal nucleation and growth.'     

隧道内液化天然气管道泄漏火灾温度场的数值模拟

以某实际液化天然气（LNG）输运工程为例,采用计算流体动力学方法,建立隧道内LNG管道泄漏火灾的数学模型,分别以3种不同的泄漏情况对LNG泄漏火灾流场进行了数值模拟计算,得到了3种不同泄漏强度的LNG火灾温度场的实时分布情况,并分别对其火灾温度场随时间的变化及危险性进行了分析。结果表明：泄漏强度最小的情况下,火灾发生后隧道温度升幅不大,温度变化幅度平缓,危险性相对较小;泄漏强度居中的情况下,火灾发生后隧道内温度变化幅度较大,变化趋势较为剧烈,危险性显著增加;泄漏强度最大的情况下,火灾发生后隧道内温度是3种情况中最高的,且隧道内会出现烟气堆积的情况,十分危险,应着力避免此类事故的发生。     

石英砂粒径大小对甲烷水合物形成及分布的影响

为了研究不同粒径多孔介质体系中甲烷水合物的形成,本文采用粒径分别为0.075~0.5mm、0.5~1mm、1~2mm和2~3mm的石英砂作为多孔介质,在初始压力7.0MPa、温度0.5℃条件下进行水合物形成实验并进行取样观察、分层分解,得出不同粒径大小石英砂中甲烷水合物形成及分布的特征。结果表明：随着石英砂粒径的增大,石英砂砂体中的水合物形成量和初始水合物形成速率在逐渐减小;在粒径为0.075~0.5mm、1~2mm和2~3mm石英砂中,充气过程中水合物便开始形成,且并未出现明显的水合物大量形成阶段,而在粒径为0.5~1mm石英砂体系中出现了水合物大量形成的阶段;通过计算发现,0.5~1mm石英砂体系的气体消耗量最大,为0.47mol,2~3mm石英砂体系的气体消耗量最小,仅为0.05mol;在这4种粒径的石英砂体表面的甲烷水合物主要以分散状均匀分布于颗粒之间或胶结成块,但这一观察结果与通过分解的方法所得到的石英砂上部水合物形成量大于下部的结果存在差异;重复实验也发现,仅在粒径为0.5~1mm石英砂顶部出现了水合物大量富集的现象,因此推断认为在一定粒径的介质体系同时上部存在较大空隙时,水合物有可能会在空隙中大量富集存在。这一实验结果对自然环境中水合物的赋存区域及形态的预测具有一定的参考价值。     

脱气除油旋流系统流场分布及分离特性

目前我国大部分油田已进入高含水阶段,且采出液中常带有大量伴生气,采用旋流分离法实现采出液高效分离对于简化陆上油田地面处理工艺及提升海上平台经济环保的采出液处理技术具有重要意义。脱气除油旋流系统由GLCC型气液分离器和油滴重构旋流器串联组成,设计的目的是在保证高效脱气的同时进一步改善对小油滴的去除效果,实现油气水三相高效分离。本文基于计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）方法,利用种群平衡模型（population balance model,PBM）模拟油滴破碎与聚结,对脱气除油旋流系统内部流场特性及粒度分布进行模拟分析,并采用数值模拟与试验相结合的研究方法,对比分析不同含气体积分数和气相出口分流比对脱气除油旋流系统分离性能的影响规律。结果表明：含气体积分数与气相出口分流比对脱气除油旋流系统分离效率的交互作用较显著,在研究范围内综合脱气效率和除油效率可以得到,含气10%、20%、30%的最佳分流比分别为25%、30%、35%,数值模拟结果与试验结果吻合良好,验证了数值模拟方法的可靠性。另外,含气体积分数越大,油滴重构旋流器的油滴分层重构现象越明显,油滴重构旋流器可以在一定程度上改善含气情况下油水分离效果差的现象,脱气除油旋流系统对油气水三相分离的适用性较好。     

群体平衡方程在搅拌反应器模拟中的应用

群体平衡方程（population balance equation,PBE）是描述多相流体系中分散相大小与分布随时空变化的通用方程。搅拌反应器内多为多相流体系,考虑到颗粒聚并、破碎等微观机制对颗粒大小、分布、粒数密度等宏观参量的影响,采用PBE对搅拌槽内多相流体系进行数值模拟,可以较准确预测搅拌槽内流场和颗粒的大小与分布。对群体平衡方程在搅拌反应器数值模拟中的应用进行了综述,在简要介绍PBE的基本形式后,讨论了PBE的主要数值求解方法,然后着重介绍近年来采用PBE对搅拌槽内液固沉淀过程、气液及液液体系进行数值模拟的情况,并对今后的研究方向进行了展望。     

激光粒度仪测定PTA粒径分布

介绍了激光粒度仪测定PTA粒径分布的分析方法 ,通过试验确定了分析条件 ,并与筛分法分析结果进行了对比。该方法简捷、快速、重现性好 ,适用于PTA产品的粒度分析。