南海天然气水合物试采储层热流耦合与温度场调控研究进展

中国南海天然气水合物储层类型以泥质粉砂为主,与其他国家和地区的砂质储层相比开采难度大。本文针对南海北部泥质粉砂天然气水合物降压开采涉及的相变习性演化、有效渗透率变化、热流耦合模式、试采系统温度场调控与矿场尺度增温防冰等关键问题,综述了笔者团队近年来取得的最新研究成果。研究表明,泥质粉砂型水合物相变始终处于动态平衡状态,储层因富含黏土水合物相变滞后效应明显;试采井壁处节流膨胀效应强烈,“温度漏斗”斜率最大,一旦形成“水锁”与生成二次水合物,气相渗流能力将明显降低;在无外部热源补给情况下,较高的产气速率,易造成水合物分解速率减缓直至停止分解,中国南海泥质粉砂水合物分解主要受传热控制模式影响,亟需建立有效的“储层-井筒”试采系统多元温压调控与安全流动机制,提高产气效率;依托自然资源部青海木里天然气水合物与冻土环境野外科学观测研究站,利用原位补热降压充填的水合物开采方法,成功完成矿场尺度水合物试采系统温度场改造试验,进一步优化提高了储层渗流能力,实现了增渗扩产目的。

超临界二氧化碳螺旋槽干气密封热流耦合润滑临界阻塞特性研究

在密封稳定运行的前提下,促成密封端面出口形成阻塞流动以提升气膜开启力、降低端面泄漏不失为干气密封性能优化的有效途径。以超临界二氧化碳(CO_(2))螺旋槽干气密封为研究对象,综合考虑实际气体、离心惯性、湍流和阻塞流效应,采用有限差分法耦合求解压力和温度控制方程,定性研究了热流耦合润滑下的临界阻塞特性(临界阻塞进口压力po_(cir)、临界阻塞转速N_cir、临界阻塞膜厚h0_cir和阻塞临界失稳膜厚hsc)。结果表明:等温流动和绝热流动模型下超临界CO_(2)干气密封端面间隙出口均存在阻塞发生工况区间,进口压力、膜厚、转速对应的阻塞发生区间分别为po>po_(cir)、h0_cir<h0<hsc和N<N_cir;转速升高可以对临界阻塞进口压力和临界阻塞膜厚产生持续增强作用,增大膜厚则会导致临界阻塞压力降低、临界阻塞转速上升,高压进口将使阻塞零刚度对应的膜厚(阻塞临界失稳膜厚hsc)下行;相较于等温流动假设,气膜热效应对超临界CO_(2)干气密封临界阻塞特性参数的影响程度较为显著,且影响规律各有不同。

引入风流热流耦合特性的智能通风系统状态重构参数修正

为精准定量重构时间序列下实际矿井通风系统状态,以实时反映风网运行特征,基于实际矿井中风流的空气动力耦合热力流动特征,提出了时空特征下风流状态属性变化式,以井下网络和通风动力参数作为修正指标,以动态风流状态属性为修正变量,提出了通风系统状态重构参数点修正模型。为表述通风系统的动态连续运行状态,在点修正基础上引入连续时间特征,构建状态重构参数区间映射修正模型,以求解出时间序列下的系统状态重构参数波动区间来完成精准状态重构。为验证修正模型可靠性,以常村煤矿为工程对象进行状态重构,结果验证了井下风流的动态热流耦合特征及提出的风流状态属性变化式的可靠性,得出了状态重构参数波动区间,达到了实时准确构建风网运行状态的目的,有效提高了后续风网实时解算和控风决策的本质精度。

钛合金板翅式结构双热源真空钎焊过程热流耦合仿真研究

本文构建了电阻生热与辐射加热双热源耦合作用下的钛合金板翅结构真空钎焊过程热-流耦合模型,对比分析了单热源与双热源温度场的差异性,探明了双热源作用下的钛合金板翅结构真空钎焊过程温度场分布与钎料流动规律。结果表明,板翅式结构外侧区域温度高,中心区域温度低,双热源作用下板翅构件表面温度较高。这是由于热传导传温效率更高,双热源作用下板翅结构的升温速率更快。整个加热过程中,单热源加热的板翅结构温差最大约155 K;在双热源作用下,板翅结构温差最大约70 K。因此,在辐射-电阻双热源的共同作用下工件的温度均匀性得到了明显改善。钎料流动分布同温度场分布相似,温度越高钎料熔化越充分,流动性越好。

随机裂隙网络储层与井筒热流耦合数值模拟

增强型地热系统(Enhanced Geothermal System,EGS)的渗流传热通道主要由注采井井筒与随机裂隙网络储层两大部分组成,过去对裂隙网络储层进行热流耦合模拟研究大多数都忽视了井筒壁的换热,导致模拟结果的准确性欠佳。为了更准确地评价EGS出力、寿命等性能指标,开展了井筒—随机裂隙网络储层热流耦合数值模拟研究,基于商业有限元软件COMSOL Multiphysics对井筒与储层的渗流场、温度场进行耦合求解,分析了影响EGS采出温度与热开采速率的各项要素。研究结果表明:①注、采井的开孔长度(L0)对EGS的产能与寿命具有重要影响,400 m为最佳开孔长度,其EGS具有最佳出力与寿命;②在井筒壁上加保温材料可以有效提高开采初、前期的采出温度,减少热损失,提高开采速率;③随着开采的进行,注入井周围出现明显的低温区,并沿裂隙通道向采出井方向推移,这将导致系统达到开采寿命而衰竭,应停止开采一段时间后再进行热能开采;④裂隙渗透率、裂隙宽度等参数对开采速率的影响都呈现正相关性,参数值增大会提高开采速率、缩短开采年限。结论认为,井筒壁的换热对于EGS出力与寿命的综合评价具有重要的意义,考虑井筒壁热损失的井筒—热储耦合模拟能够实现对EGS的完整性评价。

芯片冷却用微通道散热结构热流耦合场数值研究

对4种微通道散热结构(平行结构、网格结构、螺旋结构和树型结构)在相等传热面积、相同边界条件下的流场与温度场进行数值研究。通过热流耦合场数值分析,得出了不同微通道散热结构的电子芯片温度分布和微通道内的速度场,分析了微通道拓扑结构对电子芯片散热效果的影响。使用平行微通道散热的芯片温度均低于80℃,其中有81%的面积在60℃以下;使用网格和螺旋散热结构的芯片最高温度均在90℃以上,其中温度在20～60℃之间所占比例分别约为62%和61%;使用树型微通道散热的电子芯片温度均低于70℃,其中有94%的面积在60℃以下,且温度分布最均匀。此外,芯片微通道内的流体平均流速大的微通道系统能带走更多的热量。

Si_3N_4陶瓷轴承内圈NCD膜制备中的热流耦合分析

本文设计了一套用于HFCVD系统中轴承内圈NCD涂层制备的电极装置,同时在热交换过程的分析基础上对该系统进行了热流耦合分析。对进气参数进行优化后,衬底温度场及气体流场分布均匀。在数值分析的基础上,在氮化硅陶瓷内圈上成功制备了NCD膜。

直拉法晶体生长过程非稳态流体热流耦合

为了改善复杂对流形态下的晶体生长品质,提出了一种改进的格子Boltzmann方法研究非稳态熔体流动和传热的耦合性质.该方法基于不可压缩轴对称D2Q9模型,构建了包含旋转惯性力和热浮力等外力项的演化关系,实现了对轴对称旋转流体的速度、温度和旋转角速度的计算与分析.结果表明,非稳态熔体中的流、热耦合性质与格拉斯霍夫数和雷诺数的相互作用有关;通过调节高雷诺数,可有效抑制熔体中的自然对流,改善温度分布,有助于提高单晶的品质.数值计算结果与实际硅单晶生长试验均证明了所提方法的正确性及有效性.

基于热流耦合的木材干燥窑风速温度分布解算

为构建木材干燥窑内部循环风速和温度合理分布,采用二维数值模拟方法,利用Fluent软件对试验型小型干燥窑进行仿真模拟,对比安装导流板前后干燥窑内温度和分布情况。木材干燥窑的设计,风速、温度分布是关键问题。首先利用ICEM CFD软件对结构简化的试验型小型干燥窑进行参数化建模,将简化的模型进行网格划分,利用Fluent软件对木材干燥窑内的流动与传热耦合环境进行数值模拟,得出风速分布云图和温度分布云图,研究干燥窑内热流耦合系统,得出其内部速度和温度的具体状态,通过导流板安装前后数值对比,找到导流板合理性的参数。采用二维数值的模拟方法,不能代表实际干燥窑工作状况,具有一定的局限性。

单裂隙热储热流耦合数值模拟分析

为探究影响增强型地热系统(EnhancedGeothermalSystem,EGS)高效运行的各项因素,以单裂隙热储为研究对象,基于裂隙岩体热流耦合数学模型,对单裂隙下EGS热流耦合进行数值模拟,利用有限元软件COMSOL实现对裂隙岩体温度场与渗流场的耦合求解,分析热储层内渗流、温度的分布规律,以及基岩渗透率、热传导系数等岩体热物性参数变化;裂隙宽度、裂隙流流速、开采时间等基本计算参数变化对裂隙岩体渗流与传热的影响,得出在一定范围内基岩渗透率与热传导系数增大会使系统运行寿命提高,裂隙宽度及裂隙流流速对热开采效率的影响呈现正相关性。

多孔介质热流耦合传热模拟研究

针对稠油热采过程中高温高压流体注入油藏多孔介质引起的温度场和速度场的变化情况,以达西定律为基础,采用有限体积法建立多孔介质热流耦合方程。基于REV尺度多孔介质模型进行模拟计算,研究多孔介质的渗透率和体积分数,以及热采过程中热流体的注入压力,对多孔介质内热流耦合传热过程的影响。结果表明:增加渗透率对多孔介质传热的效果优于增加入口压力,固体体积分数增大,增加热阻,导致传热效果降低。增大注入热流体压力,能够增加热量传递速度。

油藏多孔介质湿饱和流动的热流耦合分析

建立了蒸汽驱热水驱替部分湿饱和流动热流耦合的物理模型,在其基础上得到包括温度方程、压力方程、饱和度方程、渗流速度方程等在内的数学模型,采用全隐式中心差分方法,得到温度场、压力场等的迭代公式,对某应用示例的数值模拟说明了其过程的热流耦合机制,并指出应对油藏实施有效的加热降黏措施,可同时提高原油采收率和采油速率。

堤坝渗漏通道热流耦合模型及试验研究

堤坝渗漏通道中水流与周围土体的热量交换可引起一定范围内的温度变化,因此渗漏通道可看作一个有限长线热源。堤坝浸润线以下存在着稳定的渗流场,可对坝体的温度场产生影响,但其影响未知。为此,通过分析点热源在移动介质中的温度响应来建立有稳定渗流影响的堤坝渗漏热流耦合模型,并设计了相应的试验平台,进行了试验模拟,分析了坝体中渗流场对温度场的影响。然后由实测温度通过模型反推出渗漏流速,并与试验设定值进行比较,误差在合理范围内。

基于热流耦合算法的含有冷却水管的大体积混凝土温度场仿真技术

针对采用等效算法求解含有冷却水管的大体积混凝土温度场时无法考虑水管中水温沿程变化、不能精细计算靠近水管处的混凝土温度场问题,特提出改进的热流耦合算法,并基于ANSYS软件中的solid70单元、fluid116单元、mass flow等子程序,构建了含有冷却水管的大体积混凝土热流耦合算法的单元选择、网格划分、自由度耦合、载荷施加等关键技术,并将其应用于锦屏一级拱坝#14坝段1~4仓含有冷却水管的大体积混凝土温度场仿真计算中。仿真结果表明,采用改进的热流耦合算法的计算值与实测值十分接近,从而验证了改进算法的可行性。

SiC3D/Al复合材料高速列车制动盘紧急制动热流耦合有限元模拟

建立了带有散热筋和通风槽的具有三维网络碳化硅骨架增强铝基复合材料(SiC3D/Al)摩擦层的高速列车轴装制动盘温度场和流场计算模型。用温度-流场顺序耦合法对紧急制动初速380 km/h的高速列车制动盘进行热流分析,研究制动盘的瞬态温度场变化规律。结果表明:考虑气流散热时,SiC3D/Al复合材料制动盘能迅速将摩擦热传递到整个盘体,摩擦面最高温度527℃,摩擦表面温度场均匀,轴向温度梯度较小。制动盘的板状散热筋可增加制动盘的刚度,减少摩擦面翘曲,减少盘内气体紊流,对制动盘气流具有导向作用。通风槽可排除磨屑,降低摩擦面温度,保证制动盘有较高的摩擦力和稳定的摩擦系数。模拟计算值与全尺寸台架实验数据一致。

变压器温度场分布的热流耦合分析

建立变压器温升计算的热流耦合温度场数值仿真模型,采用有限元方法计算变压器内部的温升及流场分布,并对变压器内部的温度场分布及热点温升进行分析研究.通过与设计值的比较,验证了该分析方法的正确性,为变压器的优化设计及可靠运行提供了理论参考.

基于热流耦合算法的大体积混凝土水管冷却仿真分析

水管冷却是大体积混凝土最为有效、使用最为广泛的温控防裂措施,而水管参数对冷却效果影响显著。本文以某混凝土重力坝的4个浇筑层为研究对象,采用热流耦合算法,对影响水管冷却效果的主要参数进行定量分析。研究结果表明:通水水温由20℃减小至8℃过程中,水温每降低1℃,混凝土最高温度降低约0.30℃。通水流量从0.9m3/h增大至1.2m3/h过程中,流量每增加0.1m3/h,混凝土最高温度降低约0.33℃;通水流量从1.2m3/h增大至1.5m3/h过程中,流量每增加0.1m3/h,混凝土最高温度降低约0.28℃。水管间距小,通水水温低,通水流量大时冷却效果较好,采用双循环水管布置形式时冷却效果较好。实际工程中应综合考虑这些参数以确定最佳冷却方案。

稠油热采热流耦合试井解释方法及应用

将井筒热对流与地层热传导相结合,给出了井筒温度分布,推导出考虑变温影响的试井解释新方法,剖析焖井过程中油层和蒸汽的能量变化,并使用热流耦合典型曲线,对焖井试井压力资料进行试井分析,解释的参数能够较好的指导蒸汽吞吐井吞吐参数调整,有利于提高吞吐效果。

薄板坯连铸浸入式三孔水口热流耦合数值模拟

通过质量方程、运动方程和能量方程,利用热流耦合方法建立薄板坯连铸三孔水口温度场和流场数值模型,对内部钢液的速度场和温度场进行耦合研究,分析连铸过程三孔水口流场和温度场的基本特征,讨论流场与温度场分布对铸坯品质的影响。同时研究了浸入水口浸入深度与拉坯速度对其形态的影响,结果发现,由于模截面上两个回流以及向下出孔的存在,不同于两孔水口,形成两个先期凝固点和三个后期凝固点,为优化结晶器内钢液流场,优化浇注参数设计提供理论依据。

煤层自燃的热流耦合分析

本文对易燃煤层低温氧化特性、热效应以及在自热自然过程中的热流耦合关系进行了初步理论分析，导出了煤层自燃的临界性条件。