多相流阻垢热泵蒸发系统特性研究

为验证多相流热泵蒸发系统的在线阻垢及强化换热性能,以蒸氨废液为液相工质、氧化铝及聚甲醛粒子为阻垢颗粒进行实验研究。结果表明,氧化铝颗粒的加入可有效去除蒸发器已有垢层,换热系数由结垢后的392.5 W/(m^(2)·K)提升至1 712.2 W/(m^(2)·K),且连续运行130 h换热系数未降低;蒸发器换热系数受颗粒物性参数影响较大,随着颗粒直径、密度、体积分率增加换热系数逐渐增大,但增加过量时导致流动不畅,换热系数降低;颗粒自身材质导热系数越高强化换热效果越好;循环流量、颗粒分布形式对换热系数也有较大影响,提高循环流量有助于强化换热;不同分布形式在一定程度上均可提高换热系数,双层多孔分布器可实现颗粒逐级输运,增加其进入换热管比例,强化换热效果最佳。

基于PCNN图像融合的ECT多相流测量系统设计

针对ECT在多相流测量过程中存在的成像质量不高、精度低、稳定性差等问题,提出并实现了基于PCNN图像融合的ECT多相流测量系统。系统采用模块化设计,主要包括阵列电极传感器模块、电容采集电路模块、上位机成像软件模块。文中设计改进的网络模型,将Tikhonov和Landweber算法的成像结果作为输入进行双通道融合成像,改善了传统算法存在的伪影、模糊的现象。实验结果表明:应用尼龙棒模拟气固两相流对系统进行测试,系统对于微小电容的测量具有良好的稳定性和准确性,通过系统的成像结果可以准确地分辨管道内不同介质的位置,其中对于流型的预测成功率为100%,相含率的测量误差在1%以内。

仿真与实验协同视角下多相流分离教学实验设计

多相流分离技术广泛应用于石油化工领域,而实验研究和仿真计算是其主要的研究方法。本文在仿真与实验协同视角下设计了多相流分离教学实验,首先采用FLUENT软件对旋流分离器进行建模计算,得到了旋流器内流场分布以及不同操作参数对其分离效率的影响规律;然后采用实验方法对旋流器的工作过程进行了还原,将实验数据与仿真结果进行了对比分析,验证了计算模型的准确性。通过将仿真过程与实验流程相结合,直观展示了多相流分离装置的分离过程,有助于学生更深入了解分离机理,并提升教学实验的探索性和创新性。

海底气液多相流混输管道电伴热的热能节省特性研究

针对海底气液混输管道面临的结蜡、胶凝、摩阻过大等流动安全保障问题,提出了热能较为节省的电伴热方式。相对于常见的平台加热方式,基于海管系统总的热平衡原理,采用微积分方法推导出了电伴热相对热耗率的数学解析式,澄清了影响电伴热热能节省效果的主要因素,证明了电伴热与平台加热在加热能耗方面的优劣,并探明了总传热系数等关键因素对电伴热热能节省特性的影响规律。结果表明:在确保质量流量、保温措施及出口温度均相同的条件下,电伴热的热耗总是小于平台加热的热耗,具体的热能节省效果仅跟总传热系数、输送距离、管径、质量流速、液相质量分数5个关键因素有关。电伴热相对热耗率与总传热系数和输送距离近似呈线性负相关关系,与管径和质量流速近似呈指数式正相关关系,与液相质量分数近似呈线性正相关关系。采用电伴热方式时,由于不需要额外掺水确保管道的“最小安全输量”,在极低输量条件下的热能节省效果将更加显著。本研究成果可为海底气液多相流混输管道电伴热的热能节省特性认知提供理论依据。

吹氩模式对钢包内多相流流动行为影响的数值模拟研究

以某钢厂150 t钢包为对象,通过数值模拟手段研究了吹氩模式和吹氩流量对钢包流场、钢渣界面行为和壁面剪应力分布的影响。结果表明:单孔吹氩模式下,钢包内环流远端流速低,钢渣界面流动不活跃,易导致此处渣层冷凝结壳;双孔等流量吹氩模式下,随着吹氩流量增大,钢渣界面流速增加,但其流动活跃性降低;双孔差流量吹氩下,大吹氩流量时钢渣界面能维持一定范围的活跃流动。当吹氩流量在120~240 L/min范围,单孔吹氩所形成的渣眼面积大于两种双孔吹氩模式;当吹氩流量超过240 L/min,双孔等流量吹氩下渣眼面积最大,双孔差流量吹氩对应的渣眼面积最小。另外,单孔吹氩下壁面剪应力最大,应力面积较小,双孔等流量吹氩下剪应力虽然显著降低,但分布区域面积增大。综上所述,双孔差流量吹氩模式可以在提高钢液精炼效率的同时,降低对钢包内衬耐火材料的流动侵蚀。

基于压力—速度解耦的深水井筒多相流高精度数值模拟新算法

深水钻完井过程中,受海水及海底地质条件复杂影响,井筒压力控制精度要求高、控制难度大。高精度、高稳定性的深水井筒多相流动模拟器成为解决井筒压力精细化控制的关键。为解决深水井筒高动态流动系统的预测难题,针对深水井筒多相流动漂移流模型,将对流迎风分裂方法(AUSMV)的通量分裂方法与交错网格技术进行融合,优化了压力—密度解耦的高刚度问题,形成了压力—速度解耦的数值算法,并利用二阶优化守恒律的单调迎风—中心方案(OMUSCL2)空间重构+两步龙格库塔时间重构技术提升了数值算法的精度,最后建立了深水井筒多相流高精度数值求解算法,并验证了数值算法的精度与性能。研究结果表明:(1)与常规AUSMV算法相比,新算法具有较低的数值耗散,间断物理信息捕捉能力强,对井筒内气液两相前缘位置的识别度更高;(2)与注气量10×10^(4)m^(3)/d和15×10^(4)m^(3)/d井喷实验对比,新算法模拟井底压力的平均误差分别为1.79%和1.86%;(3)新算法在井口气体剧烈膨胀、超音速流动模拟方面表现出了良好的稳定性和鲁棒性。结论认为,该新算法不仅提升了常规数值算法的精度,同时可为复杂高动态流动系统的井筒压力调控提供有效的技术支撑,有助于提高我国深水井筒压力控制的理论水平,保障深水油气的有效开发。

致密凝析气井多相流不稳定产量预测方法

考虑凝析气藏相态变化、储集层中油气两相线性渗流和边界控制流,提出了致密凝析气井全路径油相饱和度与压力关系的预测方法,建立了致密凝析气井多相流不稳定产量预测模型。研究表明:凝析油饱和度和压力关系曲线是计算拟压力的关键,在生产初期或离井底较远地层压力较高区域,可利用实际生产井前期的生产动态数据,采用物质平衡模型进行计算;生产后期或离井底较近地层压力较低区域,可采用等组分膨胀实验数据进行计算;生产中期或地层压力位于中间水平时,则可根据前两段计算所得数据插值求得,形成完整的全路径油相饱和度和压力关系曲线。经模拟对比与矿场实例的验证,新方法具有较好的可靠性和实用性,可用于致密凝析气井生产中、晚期产量预测和单井可采储量的评估。

气液固多相流条件下球阀冲刷腐蚀磨损特性研究

以多相流输送球阀为研究对象,对其颗粒冲刷磨损和电化学腐蚀开展数值计算研究。针对稀硫酸携带固体颗粒冲刷腐蚀球阀导致其失效的问题,采用欧拉-拉格朗日流体计算方法,运用Fluent软件对气固液三相流球阀冲刷腐蚀磨损进行数值模拟计算,揭示球阀冲刷腐蚀磨损失效机制,并将模拟计算结果与现有文献的实验数据以及工程现场冲蚀球阀对比,验证数值计算结果的准确性。分析结果表明:球阀内部流速为2~9 m/s,阀芯最大冲蚀量为2.85×10^(-3)kg/(m^(2)·s),最大腐蚀率为2.28×10^(-7)kmol/(m^(2)·s),阀内冲蚀磨损随开度的增大而减小,气相对球阀冲蚀影响微小,但阀芯内复杂的涡流减缓阀芯内侧壁面腐蚀率。颗粒的冲蚀与电化学腐蚀的交互作用会加快球阀表面镀层失效。

基于元胞自动机方法与欧拉多相流技术的激光沉积IN718组织形貌模拟

为研究激光沉积过程中沉积层微观枝晶外延生长及转向机制,基于欧拉多相流技术与元胞自动机方法相结合,建立了激光沉积IN718二维熔化凝固模型;获得了沉积层温度场、流场以及微观凝固组织的演变过程,对比了模拟与实验所得沉积层枝晶外延生长区厚度,分析了顶部枝晶转向的机制。结果表明:温度场与流场相互影响,模型对沉积层厚度预测误差约为7.0%。沉积层顶部和中部晶体织构取向不同,枝晶的生长方向更偏向于局部热梯度方向,在沉积层顶部,局部热梯度的方向接近水平方向,枝晶的生长方向与局部热梯度偏角较小,因此,形成平行于激光扫描方向的枝晶区。

井下双梯度控压钻井井筒多相流动规律

在陆上井下双梯度控压钻井过程中气侵是面临的主要挑战之一。研究气侵过程中,井筒气-液两相流动规律对气侵检测与处理具有重要意义。因此,文中基于钻井液、气体和空心球的质量、动量和能量守恒方程,考虑变梯度参数引起的环空变质量流动和井筒多相流行为,建立了井下双梯度控压钻井气侵条件下的全瞬态气-液两相流新模型,并利用该模型分析了井下双梯度控压钻井气侵过程中井筒内的气-液两相流动规律。模拟结果表明:变梯度参数不仅会改变气相体积分数和当量循环密度(ECD),而且能够影响气侵演变规律;井下双梯度控压钻井环空ECD整体上近似呈“折线形”分布,能够更好地适应深层超深层的窄安全密度窗口;将空心球比例、旋流分离器位置和分离效率相结合,能够灵活地调整环空ECD分布。该研究对使用井下双梯度控压钻井解决陆上窄安全密度窗口地层的钻井难题具有重要的理论和工程意义。

瞬态多相流场图神经网络时空预测方法研究

为实现对大型能源化工装备(如循环流化床)内瞬态多相流场的快速时空建模和预测,本文采用基于网格图神经网络的深度学习模型,针对循环流化床非结构化时变数值仿真数据,建立离散相体积分数的时空耦合预测器。该模型有效捕捉了反应器的时空多尺度特性,能高效地进行多相流场时空耦合动态预测,结果表明:速度远超传统数值仿真,加速比可接近500。

煤炭超临界水制氢反应器内多相流场智能滚动预测研究

煤炭超临界水制氢技术在高温高压条件下利用超临界水充分气化煤炭,实现了高效低排放的转化和制氢过程。为解决因反应器内复杂多相流行为导致的仿真耗时问题,以及常见代理模型时序预测时间短、精度下降快等问题,提出基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和Koopman理论的深度学习模型POD-Koopman,用于捕捉和学习反应器内复杂流场的长时时空演变特征,实现数据驱动的长时滚动预测。测试结果表明其能在较小计算开销下准确滚动预测反应器内多相流场时变行为,助力下游制氢反应器工业化设计及优化任务。

超音速火焰喷涂(HVOF)多相流瞬时演化机理及敏感性分析

以航空煤油为燃料的超音速火焰喷涂(HVOF)技术在制备WC-Co涂层方面具有独特优势。目前对HVOF热喷涂稳态过程的研究无法揭示燃料液滴在燃烧室中的动态燃烧行为。液体燃料进入燃烧室前需要雾化,量化揭示燃料燃烧反应瞬时演化机理是优化喷涂工艺的关键。基于JP5000喷枪建立HVOF热喷涂过程瞬时演化数值模型。将煤油液滴破碎、气化过程、燃烧反应焰流与喷涂粒子直接耦合。采用双向耦合欧拉-拉格朗日方法跟踪连续相和离散相,以realizable k-ε湍流模型、一步反应涡耗散模型(EDM)表述喷涂燃烧焰流特性。通过KHRT(Kelvin-Helmholtz Rayleigh-Taylor)破碎模型描述航空煤油液滴破碎过程。基于可靠性理论,综合分析煤油液滴直径、氧气/燃料比率及反应物质量流量对喷涂粒子飞行行为的影响。结果表明:氧气/燃料比率对粒子温度影响程度最大,煤油液滴直径对粒子速度影响最大。HVOF瞬时演化模型可以直观呈现燃料的动态行为及喷涂粒子的飞行特性,可为优化热喷涂工艺提供参考和理论支撑。

铅精矿侧吹熔炼气-液多相流动过程数值模拟

铅精矿富氧侧吹熔池熔炼技术具备原料适用范围广、炉体使用寿命长、废热废料利用率高、热量有效利用率高等诸多特点,在炼铅工艺中占有重要地位。基于VOF多相流模型与Realizable k-ε湍流模型建立了侧吹炉内的多相湍流流动过程数值仿真模型,并利用物理模型对仿真可靠性进行了验证。模拟研究了喷枪喷气速度、喷嘴排布方式以及渣液位高度对熔池搅拌效果的影响,确定了喷枪结构不变的情况下,最佳的工艺条件为喷枪喷气速度100~150 m/s、渣液位高度1.6~1.7 m。

基于LabVIEW的油井多相流相关流量计量系统

油井产量计量是油田开发过程中的一项重要工作。针对当前计量方式自动化程度低、实时性差等问题,基于相关流量计理论,以同轴线相位法含水率计为测量传感器,设计了一种油井多相流相关流量计量系统,并基于LabVIEW建立了数据采集计量系统,实现了流量的实时计算。通过开展生产现场试验,该系统的测量结果与涡轮流量计相比,平均误差为11.36%,且流量的变化趋势一致,表明本文提出的油井多相流相关流量计量系统能够对油井产出液进行正确、连续、自动测量,从而为油井多相流计量提供一种新的解决方案。

油田多相流密闭混输技术的研究与应用

为实现油田集输站场工艺简化优化、密闭橇装化,停用部分老旧高耗能设备,最大程度实现站场简化降级、无人或少人值守,因此开展多相流密闭混输技术研究与应用。该技术利用离心式双腔混输装置将油、气、水混合介质同时增压输送,实现多相流密闭混输,同时集成集油、计量、增压及自动化控制等功能,形成橇装化装置,实现“一橇代站”密闭集输,有效解决了传统油气混输泵效率低、易损坏、含气率限制等技术难题。在两座转油站试验应用多相流密闭混输技术后,停用了原计量阀组、储油罐、输油泵等工艺设备,采取无人值守方式,成功实现了密闭混输、自动计量与控制。结果表明在转油站应用该技术可实现气液密闭混输、工艺简化优化、降低油气损耗,达到站场降级、减员增效的目的,其经济效益和社会效益可观。

基于多相流的水下航行体热尾流扩散特性研究

潜艇在水下航行过程中为保证各个系统能正常工作,会由冷却系统向外排放大量的高于环境温度的冷却水,同时潜艇会对水体产生扰动,这些影响会在海面形成独特的红外特征和伴生的水动力特征。基于VOF(Volume of Fluid)多相流模型的来流法,使用Flunet软件对万吨级潜艇模型进行冷却水的排放及热尾流的扩散浮升过程进行数值仿真,并对热尾流扩散结果进行比较分析。结果表明潜艇自身的冷却水排放在较大的深度以及较低的航速下,不足以扩散至水面以形成明显的高温区,而潜艇对水体的扰动会在水面形成一片低温区,即“冷斑”现象。

浸入式喷吹铁水包内多相流行为与反应动力学

为提高喷吹式铁水预脱硫过程的脱硫效率,以某厂180 t铁水包为基础,建立了铁水包内CFD-DSM(计算流体力学-脱硫反应模型)耦合模型,系统研究了铁水预脱硫过程的气-固-液多相流行为及反应动力学,揭示了溶解镁脱硫、镁气泡脱硫、氧化钙脱硫与渣层脱硫对脱硫反应的贡献,阐明了载气及镁粉流量对脱硫反应的影响规律。结果表明:气泡流股的穿透深度较小,但其并未依附着喷枪壁面上浮。随氧化钙粉剂的连续喷吹,粉剂沿喷枪壁面上浮。脱硫过程中溶解镁脱硫为主要的脱硫机制,其次为镁气泡脱硫、氧化钙脱硫和渣层脱硫。各反应机制的脱硫速率均随时间先增大后减小。载气流量对脱硫反应影响较小,而镁粉流量对脱硫反应影响最大。当初始硫质量分数为470×10^(-6),铁水中硫质量分数脱至100×10^(-6)时,镁粉流量每增加1 kg/min,喷吹时间平均缩短约43 s。

铜闪速熔炼多相流模型化研究进展

铜闪速熔炼具有高处理量、高富氧浓度、高冶炼效率和低环境污染的优势,已在世界范围内广泛推广应用,深入研究闪速熔炼过程中的物理化学现象和原理具有重要意义。然而,闪速炉内多相流间相互作用及熔炼动力学行为受到多方面因素的共同影响,仅依靠生产经验、试验观测和理论分析难以全面解析炉内多相流传质传热过程、获取流体流动特性、揭示气固多相流相互作用规律,阻碍了闪速炉冶炼效能的进一步提升。当下计算流体力学数值模拟发展迅速,正为预测和分析闪速炉内多相流问题提供了高效、准确、直观的帮助。本文在介绍铜闪速炉结构、冶炼原理、理论模型的基础上,阐述了近年来铜闪速熔炼动力学反应机理、炉内流动特性方面模型化的研究成果及发展趋势,全面综述了铜闪速炉在喷嘴、沉淀池、上升烟道、锅炉优化方面的研究成果,为闪速炉生产优化及设计改进提供指导。

飞机除冰冲击射流多相流耦合模型研究

以飞机除冰喷洒作业为研究对象,对冲击射流与冲击壁面进行建模和数值模拟,分析了冲击壁面的速度压力分布特性。用相场函数φ解释了相场和水平集模型模拟出的射流偏转现象,探讨了冲击射流周围压强分布梯度不均匀的原因,以Realizable k-ε湍流模型为基础对比了不同多相流数值模型的模拟结果。发现冲击射流的截面沿着中心轴线呈锥状发展,在滞点处流速迅速衰减为0,压强达到最大值。壁面射流在偏离滞点0.15~0.2 m的位置逐渐获得最大流动速度。最后对比了实验常用的紊流系数与不同多相流模型的模拟结果。综合考虑模型模拟出的速度、压力分布特性及射流紊流系数得出结论:混合物模型和相传递混合模型比较适合进行飞机除冰射流以及类似的大流速、多流体微团类的流动研究。