碳酸盐岩缝洞型油藏流固耦合下的油水两相流动特征

为提高缝洞型碳酸盐岩油藏采收率,探究其流固耦合下的油水两相流动特性,根据不同介质中的流体流动规律,建立了Stokes-Darcy两相流体流动模型;基于有效应力原理和广义胡克定律,建立了适用于缝洞型碳酸盐岩油藏的油水两相Stokes-Darcy流固耦合数学模型;分别针对有无流固耦合的缝洞型碳酸盐岩油藏,进行了宏观和细观的油水两相流体流动模拟。研究结果表明:油藏有无流固耦合作用,其油水两相流体流动特性在基质区差异较大,在溶洞内差异较小,注水速度对缝洞型碳酸盐岩油藏的油水流动影响较大。

喷嘴位置对轴承腔内油气润滑两相流的影响

基于气液两相流理论,采用多重坐标系法构建角接触球轴承数值计算模型,分析不同喷嘴位置和转速下轴承腔内油相体积分数、保持架表面及轴承内外圈的油气分布特性。结果表明:在轴承低转速下,正面供油时轴承腔内油相体积分数及其周向分布的波动大于背面供油;正面供油时保持架下表面会产生润滑油的积聚,造成润滑油无法及时通过出口排出,而背面供油时润滑油在保持架表面的油相分布更均匀;正面供油时内圈左面油相体积分数较高,外圈油相分布变化较大,而背面供油时内圈右面、中间面及外圈中间面油相体积分数较高。不同转速下喷嘴位置对腔内油相分布的影响也不同,低转速下正面供油时腔内油相体积分数更高,高转速下喷嘴位置对轴承腔内油相分布的影响较小,润滑油在轴承腔内分布较为均匀,保持架下侧未见明显的润滑油积聚。

射流与气固两相流混合过程的测试与分析方法

湍流射流是气固快速反应过程中气相原料与固体颗粒的理想混合形式,采取有效的测试技术与分析方法获得射流与气固两相流的混合行为对研究反应过程具有重要意义。本文采用光纤探针技术获得了颗粒浓度动态数据,以提升管内颗粒聚团的传统分析方法为基础,结合小波分析,提出了射流与气固两相流混合过程中颗粒聚团的确定方法,并将射流影响区内气固间的瞬时接触状态分为颗粒聚团相、散式颗粒相以及未与颗粒充分混合的射流相。结合附壁射流理论,利用气体示踪技术获得的射流特征浓度分布结果,对理想条件下的射流中心线方程进行了修正,所得结果可预测气固两相流中射流的发展趋势。利用臭氧分解示踪技术,获得了原料射流与气固两相流混合过程中的局部反应结果,将其与气固动态混合特征及射流轨迹模型相结合,可分析流动参数对反应的影响。

角接触球轴承内圈织构设计及对油气润滑两相流的影响

针对角接触球轴承油气润滑中内圈润滑油含量少和保持性差的问题,提出在轴承内圈滚道设计圆凹坑形表面织构的润滑增效方法。基于气液两相流模型和多重参考系方法,建立内圈织构化角接触球轴承腔内油气两相流数值分析模型,分析内圈织构对轴承油气两相流动及润滑增效的影响。结果表明:织构化轴承可以显著提高润滑油在内圈的保持量,同时改善轴承腔内润滑油分布不均的状况;在微织构附近油气两相流动更不规则,所产生的压力梯度和速度梯度有利于提高气液两相膜的承载力;随着轴承转速的升高,内圈织构润滑增效效果相对减弱;随着供油量的增加,内圈织构润滑增效效果更加显著。

基于高速摄像技术的气液两相流型分析实验设计

针对流体力学教学中难以观察流体动态运动过程的问题,通过调整课程结构,将高速摄像技术与传统的气液两相流实验平台相结合,使流体力学抽象概念得到具象化呈现。实验结果表明,借助该可视化实验教学平台,能够研究气泡的运移特征,研究旋流场内气泡的破碎和聚并行为,分析不同工况条件下的气泡形态,得出旋流场内气液两相流型。对培养学生分析和解决问题能力,提升实验教学效果有很好的促进作用。

基于GA的RBF神经网络气液两相流持液率预测模型优化

为了提高气液两相流持液率预测精度,针对传统径向基函数(RBF)神经网络预测气液两相流持液率网络拓扑结构困难和收敛速度慢等问题,提出一种基于遗传算法(GA)优化径向基函数神经网络的气液两相流持液率预测模型。通过系统聚类算法和灰色关联度分析(GRA)对收集的实验数据进行处理,优选出最优模型特征,同时结合遗传算法确定了RBF神经网络结构参数。基于室内实验数据进行训练,并与常用于持液率预测的反向传播(BP)神经网络、GA-BP神经网络及RBF神经网络进行对比,评估了模型的准确性及可行性。结果表明:GA-RBF神经网络模型均方误差为0.0017,均方根误差为0.0416,平均绝对误差为0.0281,拟合度为0.9483。相较于其他神经网络模型,该预测模型表现出更高的计算精度和更强的泛化能力。

基于幅度和相位融合的微波两相流测量系统设计

针对油井开采过程中需要对各相含量进行精确预测以调整开采策略的实际问题,设计了一种基于微波法的油水两相流检测系统。该系统利用微波在不同介质中透射能力的差异,构建了一套包含微波信号源、功率放大器、功率分配器、检波器和STM32F103ZET6核心板的硬件电路系统,通过编写AD采集和串口通信的软件代码,来接收检波器端幅度和相位数据。在数据处理方面,分别对幅度数据、相位数据和幅度-相位融合数据采用BP神经网络的方法预测含水率。实验表明:在使用融合数据时,预测准确度可以提高至96.33%,取得了较理想的效果。

两相流振荡流动特性的可视化实验研究

为了解决活塞内冷油腔中气液两相流的振荡传热问题,设计并搭建了由柴油机改装的往复振荡实验装置,利用高速摄像技术对内冷油腔实验件中气液两相流的振荡流动过程进行了可视化观测实验,分析在不同转速和液体填充率下实验件中气液两相流在起振阶段和充分振荡阶段的振荡流动形态。结果表明:在起振阶段,气液两相的分界面明显,没有强烈的湍流混合运动,在充分振荡阶段,液体的运动规律及流动形态呈周期性变化;转速主要影响气液两相流的湍流强度,填充率主要影响气液两相流的流动形态。研究结果揭示了内冷油腔中气液两相流的振荡流动规律,可为高强化活塞的结构优化设计提供参考。

基于IPSO-Elman的气液两相流含气率测量方法

为安全且非侵入式地测量气液两相流含气率,提出一种电阻层析成像(ERT)陈列电阻与Elman神经网络相结合的含气率测量方法。首先,为加快模型训练速度并避免数据冗余,使用主成分分析(PCA)算法对120维的阵列电阻特征降维。然后,在粒子群(PSO)算法中引入自适应惯性权重和非线性学习因子,并加入遗传算法(GA)的交叉和变异行为以加快算法收敛速度。最后,通过改进的粒子群(IPSO)算法优化Elman神经网络初始权值和阈值,并建立含气率测量模型。经对比实验发现,PCA-IPSO-Elman含气率测量模型的平均绝对百分比误差为2.92%,且训练时间较IPSO-Elman模型减少68.8%。说明所提方法可以达到预期的测量效果。

基于多尺度熵分析的CO_(2) 气液两相流流型识别

利用四电极对壁式电容传感器中对流型变化最敏感的一组极板对,获取CO_(2)气液两相流不同流型的电容时间序列,并采用多尺度熵算法进行分析。依据多尺度熵曲线的3个特征:前端多尺度熵率、中段多尺度熵率和末端多尺度熵截距,对不同气液两相流工况进行流型识别,并将识别结果与高速摄像机获得的两相流照片判断的流型进行对比。研究表明,通过电容时间序列多尺度熵曲线能够充分展示两相流动的动力学特征,使用多尺度熵曲线的3个特征进行流型识别,能够较为准确地识别分层流、段塞流、泡状流和混状流4种流型,识别准确率优于99%。

混流增压单元驱动下LNG与NG两相流研究

目前,国内LNG(Liquefied Natural Gas,液化天然气)接收站所使用的单相泵需对泵前BOG(液化天然气气化后的形态)进行气液转化。BOG的再冷凝处理需要利用外输LNG的冷量,由于外输LNG流量长时间处于波动状态,影响再冷凝器的温度、压力等参数,威胁高压泵的安全运行。提出一种组合式气液混输泵,其结构由混流增压单元与离心叶轮组合而成,前者实现气态天然气的增压液化,后者实现单相LNG外输增压。采用数值模拟的方法研究混流泵增压单元驱动下,天然气和LNG两相在泵内的流动情况。研究发现,混流叶轮不仅能实现较强的两相流动增压,还能实现气相向液相的转变。

转轮及导叶流域固液两相流研究

为了研究灯泡贯流式机组内流状态和磨损规律基于欧拉-欧拉法中的Particle非均匀相模型,对不同固相直径、浓度、导叶开度下水轮机固液两相流工况进行计算。结果表明,固相高浓度区集中在转轮域和尾水管进口处,且随着固相直径和浓度的增加而增加。随着固相直径和浓度的增加,导叶域表面压力、固相速度、固相浓度分布均增加,导叶背面更易发生磨损。在转轮域,固相高浓度区分布在叶片正面轮毂处和进水边,叶片背面整体固相浓度分布较高,且表面固相速度、浓度分布与固相直径和入口浓度呈正相关。

强迫振动下垂直管道固液两相流数值模拟研究

粗颗粒固液两相流的管道输运适用于深海采矿工程.扬矿管道在流致振动作用下的内部固液两相流的输运机理尚未被完全探究.因此,采用计算流体动力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的方法,分析不同粒径、不同振动频率与振幅和不同浓度工况下在强迫振动管道中的粗颗粒动力学特性以及管内流场变化特性.其中,将管道的振动简化为一维径向振动,将实际工况中的柔性管道假定为刚体管道.研究表明,在管道振动过程中,大颗粒相比小颗粒的惯性更大,而流体也需要更大的速度产生更大的曳力推动大颗粒,导致更大的轴向流场速度以及更大的轴向颗粒速度.随着粒径增大,大颗粒对流场的扰动更大,导致流体与壁面间的作用力更大;并且大颗粒与壁面间的碰撞和摩擦作用力更大,因此壁面剪应力增大.同时,大颗粒与流体间摩擦损耗的能量也更大.因此管道需要更大的能量将其输运,导致振动管道内的压降增加.增大管道振动频率与振幅会导致颗粒在截面上的分布更加分散,同时对流场扰动更大,然而对轴向流场速度的影响相对较小.增大进料浓度使颗粒间、颗粒与流场间的作用更加频繁,导致颗粒分布发生变化,并导致更大的轴向流场速度和湍动能.

基于两相流的水封油库油气泄漏运移规律及控制措施

地下水封油库运行的关键是保持一定的水封厚度,为确定合适的水封厚度,基于气液两相流理论,采用有限元数值模拟方法,以我国某石油储备地下水封洞库为依托,模拟了地下水封石油洞库储油运行期油气的泄漏运移演变过程。结果表明:施工期不设置水幕系统情况下,洞室顶部出现了大面积的疏干区,造成后期无法储油;设置水幕系统情况下,洞库上方能够维持一定水封厚度,洞库周围岩层油气泄漏范围和泄漏量均与储油运行时间呈正幂函数关系;水封厚度越大油气泄漏范围和泄漏量越小,但过大的水封厚度会大大增加工程成本,所对应的案例在水封厚度为30 m时对油气泄漏控制最为经济合理,《地下水封石洞油库设计标准》推荐的水封厚度合理且有一定安全裕度。研究成果可为水封油库工程的设计及油气泄漏控制提供一定理论参考。

压裂双弯头液固两相流冲蚀影响数值分析

在水力压裂过程中,地面高压管汇受管内携砂压裂液的复杂流动影响,长期承受着严峻的冲蚀破坏。在各类高压管汇构件中,弯管的冲蚀损伤最为严重。为改善压裂双弯头冲蚀磨损状况,采用DPM模型、RNG k-ε湍流模型,综合分析了斯托克斯数(St)、重力方向、粒径及流速对串联双弯头冲蚀磨损的影响。结果表明:冲蚀磨损区域主要由St和重力方向共同决定;St<1时,最大冲蚀率随颗粒尺寸增大呈线性增加,St>1时呈指数增长;St相同时,速度对冲蚀磨损程度的影响远比颗粒尺寸强烈;向下流重力方向下,损伤区域随St增加完全转移至第二弯头的临界粒径显著小于向上流临界粒径;重力方向对同向冲击颗粒的冲蚀损伤虽有增强效应,其对冲蚀磨损程度影响远不及颗粒尺寸因素作用大。

Lockhart-Martinelli两相流摩擦压降模型与典型均相流模型的验证对比分析

两相流摩擦压降的计算对于两相流设备与管道的设计选型和流阻分析至关重要。在已有的两相流摩擦压降模型中,均相流模型和Lockhart-Martinelli模型(L-M模型)是比较常用的两相流摩擦阻力压降计算模型。两相流压力对两相流摩擦压降影响很大,然而,之前的模型验证分析并未分析这些模型在不同压力条件下的计算精度。L-M模型是否适用于中高压两相流,均相流模型在什么压力范围内适用,并未有相关验证分析及结论。本研究对比了均相流模型和L-M模型计算值与文献中公开发表的两相流摩擦压降数据,主要包括OuldDidi的制冷剂两相流摩擦压降数据、GASPARI的7 MPa两相流摩擦压降数据及陈听宽的高压两相流摩擦压降实验数据。通过验证对比分析发现在中高压条件下,L-M模型计算误差非常大,压力越高,模型计算误差越大。而均相流模型,对于高压两相流,特别是对高压低质量含气率两相流有比较好的预测精度。

采用曲波变换和电容层析成像的两相流含水率测量方法

针对电容层析成像(ECT)逆问题的欠定性,提出了一种基于曲波变换的图像稀疏重构算法。首先,采用曲波变换基作为稀疏基,从多尺度对模拟介质分布图像进行稀疏表示,提高了ECT灰度值向量的稀疏度;其次,应用迭代软阈值算法对曲波系数进行稀疏重构,同时使用奇异值分解算法计算最优灵敏度广义逆矩阵;最后,搭建ECT测量平台,通过静态实验重构5种典型实际流型,验证所提算法的有效性。实验结果表明:所提算法可有效抑制伪影,重构图像边界清晰,同时在图像相关系数、相对图像误差上均优于传统重构算法,比Landweber迭代算法相关系数提高约37.9%,相对误差减小约17.6%;基于稀疏重构的后处理图像可用于截面含水率的测量,含水率平均误差低于10%,最低为4.32%。该方法有效提高了ECT重构图像质量,能够满足天然气精准开采的工业需求。

基于电容层析测量的油气两相流动态信号时频分析方法

基于虚拟电容层析成像(electrical capacitance tomography,ECT)传感器和流电耦合仿真方法,本文动态模拟了4种典型的油气两相流流型及其相应的测量信号,并采用基于小波变换的多分辨率分析(multi-resolution analysis,MRA)和时频分析方法对压力和电容的时间序列信号进行分析。连续小波变换显示了时频二维平面中的能量分布,并在时间上有效定位了瞬时流量波动。而基于小波MRA方法对流型变化下的原始测量信号进行不同频带的分解后,压力和电容测量信号的主导频率均呈现出由中频到低频再到高频的迁移规律,为流型识别提供了有效的量化判据。在间歇流实验测量中应用信号时频分析方法,有效解析了不同流量下段塞频率、流量波动和液塞形态的变化。本文的研究方法和研究结果有望为实际过程中的流型识别和过程监测提供可靠手段。

高温合金气膜孔的高速水基磨粒两相流光整研究

随着先进航空发动机对涡轮前燃气温度需求不断提升,气膜孔冷却作为涡轮叶片高效冷却的核心技术,对激光加工气膜孔的粗糙表面进行光整处理对于涡轮叶片的冷却性能和使用寿命具有重要意义,然而现有常见的磨粒流抛光、磨料水射流抛光、磁力抛光、化学抛光等光整方法均存在一定的局限性。研究基于新型高速水基磨粒两相流技术,通过调控磨抛压力、加工时间对激光加工的DD6镍基单晶高温合金叶片圆型气膜孔进行光整探索,采用金相显微镜、扫描电子显微镜、激光共聚焦扫描显微镜等表征手段对比分析磨抛前后气膜孔的端口孔型尺寸、内壁微观形貌及表面粗糙度。结果表明:磨抛压力是影响气膜孔尺寸精度与质量的第一核心因素,磨抛压力过小则磨抛效果不明显,磨抛压力过大则极易诱发微裂纹并向基体内部蔓延而最终导致片状剥离或崩口,使得气膜孔尺寸精度及内壁质量下降。当磨抛压力为6 MPa、磨抛时间为90 min时,气膜孔内壁重熔层已基本完全去除,孔径扩大尺寸为0.024 mm,圆度最佳、倒角最大为0.1 mm,表面粗糙度由原始孔4.85μm显著降低至0.80μm,尺寸精度控制与内壁质量提升均较为理想。

管内相分隔状态下湿气两相流双参数测量方法

能源转型使得天然气产量保持快速增长、进入高质量发展阶段,目前天然气产业体系结构也日渐完善。传统天然气流量计难以满足对现有测量精度和实时性的需求,湿天然气中液相组分影响了测量结果,这将极大地增加湿气计量的难度与成本,因此亟需一种简单便捷、高精度的在线测量方法。本研究旨在探索湿气流量的双参数测量方法,并采用叶片式旋流器将难以测量的液滴或分层流形成为气柱-液环的管内相分隔状态,来减少流型对实验的误差影响,通过采用文丘里管测量轴向压差、径向压差双参数,得出了湿气双参数测量方法。针对在高压的天然气密闭输送条件下,通过分析管内相分隔状态下相分布、压力场和速度场等因素对双压差的影响,建立了具有良好适用性的多因素相关性测量模型,并在TH油田湿气实验平台进行了现场试验验证及校准,试验效果良好并且气相与液相质量流量的误差范围为±5%和±9%。