赫-巴流体在偏心环空中的波动压力计算模型

在窄环空间隙中下套管、小井眼钻进、深水钻进和大位移井钻进等作业中,精确的波动压力计算模型是准确预测井底压力的前提。以往利用CFD软件模拟赫-巴流体在偏心环空中流动的波动压力计算方法不仅对计算机性能要求高,而且时间成本高,导致现场应用受限。用窄槽流动模型模拟偏心环空建立了流体流动的物理模型,在稳态层流条件下,结合流体流动的控制方程和赫-巴流体的流变方程,建立了波动压力数学模型和基于自适应辛普森积分与黄金分割理论的数值求解方法,利用室内试验结果对模型的合理性进行了对比验证。结果表明:建立的赫-巴流体在偏心环空中的波动压力数学模型结果准确;采用的数值求解方法精度高、速度快,与室内试验数据对比误差在10%以内,满足现场精度需求;分析了波动压力的影响因素,在管柱处于完全偏心的情况下,波动压力梯度降低为同心环空的50%左右,在窄环空间隙中作业时,应严格限制起下钻的速度。

偏心环空中Robertson-Stiff流体的波动压力计算模型

用窄槽流动模型模拟流体在偏心环空中的流动,结合流体流动的控制方程和Robertson-Stiff流体的流变方程,建立了稳态层流条件下的波动压力计算模型。利用自适应的辛普森积分法对其进行了数值求解,并对波动压力的影响因素进行了分析。结果表明,建立的Robertson-Stiff流体在偏心环空中的波动压力计算模型预测结果准确,采用的数值求解方法精度高,与已有的偏心环空波动压力计算模型结果对比误差在10%以内;在井眼环空处于完全偏心的情况下,波动压力梯度降低为同心环空的50%左右;当流性指数和管柱井眼尺寸比较大时,要对起下钻的速度严格限制。

输配水系统明满瞬变流全窄缝数值模型

发生在输配水系统中的明满流交替过程是引起系统破坏的主要原因之一。准确模拟发生在输配水系统中的混合明满流瞬变过程,是亟须解决的技术难题之一。然而,常用的Preissmann窄缝法无法模拟含负压流的瞬变过程,很大程度上限制了该数值模型的适用范围。本文耦合二分压力法及Preissmann负窄缝思想,建立了一套可模拟求解非恒定明流、含负压的有压瞬变流及含负压的明满交替混合流数值模型,并基于CFL约束条件提出了对负压流与明流的判别方式。通过明渠充水、有压管道水锤及充水过程中关阀形成的明满流交替及水锤同时作用的复杂算例表明:本文所建模型突破了传统Preissmann窄缝法不能模拟负压的局限及二分压力法判别明流及满管负压流的困难,实现了对不考虑气液两相相互作用下的明满交替瞬变流的准确模拟。

城门洞型输水隧洞明满流计算与试验

无压输水隧洞中受到闸门启闭而引起的明满交替流水力瞬变现象,通常会造成洞内的压力剧增,对工程安全运行造成威胁。为了探究城门洞型隧洞的明满交替流和明流过渡过程,实测了模型隧洞沿线断面水深或压力变化曲线,基于窄缝法原理,使用扩散法对实测工况进行数值模拟计算,将实测数据与计算结果进行了对比分析。研究表明:在下游初始水深逼近城门洞直墙高时,下游闸门突然关闭后,在大来流量下管路中出现压力瞬间陡增的完全明满流现象,水流向上游传播并伴随剧烈的掺气,在小来流量下表现为不掺气压力突升的临界明满交替流,回波造成二次压力剧增,断面压力达到峰值。窄缝扩散法对于从明流完全转化成满流的明满流过渡过程模拟效果较好,而对于临界明满流的模拟有较大的误差。无压流水力过渡过程数值模拟计算结果与实测值基本一致,反映了明渠水力过渡过程数学模型的合理性。研究成果可为深入研究这一复杂水力现象提供借鉴和参考。