增强型地热系统井筒-储层耦合数值模拟分析

干热岩是指地下3~10 km处低渗透性的高温岩体。增强型地热系统（EGS）是利用水力压裂等作业措施形成人工热储层,通过注入载热流体以经济地开采出干热岩中热能的人工地热开采系统。目前,关于干热岩储层开采潜力是否满足商业开采目标,以及如何提高EGS开采潜力是EGS研究的重点。文章首先对EGS的发展及技术可行性进行了概述,然后以松辽盆地为研究场地,以水为载热工质,采用井筒-储层耦合数值模拟程序T2WELL对储层开采潜力进行了定量研究,并通过不确定因素和参数分析探讨了优化EGS开采潜力的可行方案。不确定因素和参数分析表明,储层初始温度、裂隙间隔、布井方式是影响储层开采潜力的关键因素,渗透率对储层开采潜力影响较小。

船用三通调节阀流-固耦合噪声数值模拟

针对船用PN10DN32三通调节阀噪声声压频谱、声指向性等声学特性规律不明确,噪声声压级是否满足使用要求的问题,基于流-固耦合理论,同时考虑流-固耦合面及流体域内的脉动声学激励源,开展阀门噪声数值模拟研究。分别对三通调节阀在80%及60%开度阀外1 m处的噪声进行数值模拟,分析研究噪声声压频谱特性及声指向性规律。结果表明:80%及60%开度下的噪声声压级分别为49.14 dB(A)、50.79 dB(A),均小于60 dB(A)的噪声限制,满足使用要求。该文为船用三通调节阀噪声数值模拟提供了理论及方法参考。

页岩储层压裂流固耦合数值模拟及裂缝扩展研究进展

页岩储层岩体结构复杂,天然裂缝网络发育,储层压裂改造过程中大量天然裂缝激活,形成复杂的水力裂缝网络,大幅增加储层渗流能力。因此,储层压裂改造技术是实现页岩油气商业开发的关键技术之一。页岩储层压裂涉及到多个物理过程的相互作用及大量裂缝的动态拓展,是一个典型的流固耦合力学问题。其中:数值模拟是研究压裂裂缝扩展机制、缝网动态演化过程及压裂优化设计的重要手段之一,是近些年油气开发领域的研究热点。针对该问题,本文首先分析了页岩储层压裂的特点及主要流固耦合力学过程,并对主流数值模拟方法的特点进行了总结;其次,从复杂压裂缝网动态演化模拟和储层尺度压裂模拟两个角度对近些年取得的主要进展进行了总结;最后,依据压裂模拟的研究现状及实际工程需求,对页岩储层压裂数值模拟的发展趋势进行了展望。

华龙一号反应堆上腔室及热段流-热耦合场数值模拟

压水型反应堆(pressurized water reactor,PWR)系统主管道热段内冷却剂的温度和流量,直接反映了核功率和堆芯换热状态,是反应堆功率控制和安全保护的核心参数。为全面掌握华龙一号反应堆上腔室及热段内冷却剂流-热耦合场分布及演变规律,为核心参数测控提供参考,基于有限元分析(finite element method,FEA)方法,对上腔室及热段冷却剂流域进行了计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟。首先建立了合理简化后的华龙一号(Hualong One)反应堆上腔室及相连热段的3D几何结构模型。随后对模型计算域进行了离散化网格划分和网格敏感性分析。最后通过计算,获得了冷却剂非等温流动的稳态特性解,流量、温度与相关设计估算值、实际测量值的相对误差均小于2%。对稳态特性研究表明,高、低温冷却剂在上腔室垂直内壁附近的不充分换热导致热段入口冷却剂温度分布不均,存在14.0~16.3℃的温差。随冷却剂沿轴向流动,冷却剂温度场分布和流场分布均逐渐趋于均匀和稳定,且是热段内低温冷却剂的流动主导了冷却剂温度分布的变化。

基于流-固耦合的煤层脉冲注水数值模拟研究

为了研究煤层脉冲注水技术的增湿机理及脉冲参数对煤体力学特征和煤体湿润效果的影响规律,基于流-固耦合理论建立脉冲注水几何模型,采用Rfpa软件和Comsol Multiphysics 5.4软件内置脉冲压力函数进行数值模拟。模拟结果显示,相较于定压注水,脉冲交变压力注水对煤层的“水楔劈裂”作用明显增强;随着脉冲时间的增加,煤体孔隙压力呈现出周期性波动上升的趋势;孔隙压力增加,煤体有效应力相应降低;脉冲压力和时间与煤体湿润半径之间存在一定的数学关系,而脉冲角频率对湿润效果的影响甚微。在进行脉冲注水时可采用高压低频脉冲的注水方式并保证一定的注水时间,能起到较好的煤体增湿效果。

基于流-热-固耦合分析的数值模拟及结构优化

为解决等径T型管路应力过大问题,提出一种基于流-热-固耦合分析方法的优化方法对等径T型管结构进行优化。首先,基于流、固力学理论建立T型管多场耦合的数学模型和物理模型,对T型管内流体的速度温度变化情况和管路的等效应力的分布情况进行仿真模拟,在仿真结果的基础上对管路进行结构优化。仿真结果表明:冷热流体的压力差会导致流体产生逆流现象,从而导致管路的上游区等效应力值增大。等径T型管的最大等效应力值出现在主支管交汇的下游内壁面处。优化后管路内壁面最大等效应力值下降约14%,可以有效地延长管路的使用寿命。该方法对提高气体管路设计的可靠性具有一定的实践意义。

基于连续逐层添加的金属增材制造热-力耦合行为数值模拟研究

金属增材制造是引领第三次工业技术革命的核心技术之一。然而,因过大的残余应力所引发的变形、开裂、抗腐蚀性能下降等问题仍然是阻碍金属增材制造发展的主要瓶颈之一。本文借助开源多物理场仿真平台Elmer,开展了基于连续逐层添加的金属增材制造热-力耦合行为数值模拟研究。其中,连续逐层添加是依据时间与单元位置等信息实时控制单元的激活状态得以实现,应力释放的预测是通过人为将基板的弹性模量设置为很小的值得以实现。针对激光能量输入与基板预热温度对金属增材制造热-力耦合行为的影响,发现随着激光能量输入逐渐降低或基板预热温度逐渐提高,制件的位移逐渐减小,制件的残余应力水平逐渐减弱;相比于激光能量输入,基板预热温度对金属增材制造热-力耦合行为的影响更大。

天然气水合物注热分解诱发储层变形破坏的正交数值模拟研究

针对天然气水合物热分解而引起的储层失稳破坏机理及影响因素不明确的问题,考虑因水合物热分解引起的地层传热、孔隙流体渗流和固体骨架的变形破坏,建立了水合物沉积层的热-流-固耦合模型及其作用下储层固体骨架的弹塑性本构模型。基于ABAQUS软件的USDFLD子程序进行二次开发,开展正交实验数值模拟,分析注热温度差、水合物沉积层的绝对渗透率和有效主应力差对水合物沉积层近井储层变形破坏影响的敏感性及影响机理。结果表明:对近井储层变形破坏影响的敏感程度由大到小依次为有效主应力差、绝对渗透率、注热温度差;水合物热分解引起的近井储层力学性质劣化和有效应力下降是导致其发生变形破坏的主要原因;有效主应力差越大,等效塑性应变最大值越大,并且受水平地应力非均匀性的影响,近井储层变形破坏最严重的位置始终位于井眼最小水平地应力方向上。该研究成果可为热激法开采天然气水合物或含水合物地层的钻井作业提供借鉴。

基于渗流-温度双场耦合的油藏型储气库数值模拟

调峰保供是储气库的职能,建库指标的精确预测,事关新钻井数量和投资。复杂断块油藏改建储气库后,多周期高速注采过程均为油气水三相流动,油、气高压物性参数受温度影响极大,在进行复杂断块油藏型储气库数值模拟时,若忽略冷气注入温度场扰动和高速非达西附加压力损失,可能会导致储气库数值模拟指标预测精度降低。为提高指标预测精度,以复杂断块油藏型储气库为例,结合流体黏温及高速非达西实验,建立了渗流-温度双场耦合数学模型。基于有限体积法(FVM),在空间上采用两点通量近似方案(TPFA),在时间上采用后向(隐式)欧拉格式对模型进行离散求解。高精度拟合了衰竭开发阶段区块、单井物质平衡及压力,实例开展了储气库运行指标敏感性分析。结果表明:冷气注入温度场扰动、高速非达西效应分别是累产油、气量误差的主控因素;井控温度范围随注气速度增加呈对数上升,油气相渗流能力大幅下降时水相渗流能力反而上升,使得采出液量增多、地层压力下降;高速非达西附加压降造成天然气注入后部分采不出,随着储气库多周期运行,天然气储量及压力逐渐增加。

风化砂岩公路隧道渗流-应力耦合数值模拟

以江西省宜春市宜遂高速公路风化砂岩高且隧道工程为例,利用有限元分析软件Midas/GTS三维模拟了高且隧道的施工和开挖过程,将所得结果与现场监测数据进行比较,研究了渗流-应力耦合对隧道稳定性的影响,比较了耦合与非耦合条件下隧道稳定性的变化。结果表明,在渗流-应力作用下,隧道稳定性受到明显影响,渗流主要发生在隧道仰拱和边墙处,各施工阶段断面孔隙水压力在拱底处最大,在拱顶处最小;对比非耦合条件,在耦合条件下隧道拱顶、拱底和水平收敛值均有所增加,孔隙水压力对不同岩性的隧道拱顶沉降有很大影响。

搅拌针长度对铝-铜搭接搅拌摩擦焊影响机制的数值模拟研究

利用流体动力学的计算方法,分别建立了长度为2.4mm和2.8mm搅拌针的铝-铜异质材料搅拌摩擦搭接焊模型。基于VOF计算铝-铜两相分布的方法,定量分析了不同长度的搅拌针下两相材料流动和界面热-力耦合效应。通过界面摩擦切应力与热流通过搅拌头与工件接触界面的相对滑移状态计算,搭建了随材料流动状态变化的界面动态自适应热力模型。分析发现:增加搅拌针长度能有效强化两相材料的混合与搅拌区的塑性变形,焊缝后退侧的钩状组织更加尖锐。随着材料流动速度提升,界面摩擦切应力降低,进而引起界面摩擦产热和热流密度降低。但局部塑性流动的增强提升了塑性变形区域的黏性耗散产热和温度,且铝在垂直方向上的迁移更加剧烈,使铝-铜异质金属搭接界面的混合区扩大。此外,通过将仿真得到的焊缝横断面两相材料的界面分布与相关文献试验数据进行对比,验证了模型的准确性。

大气总温传感器数值计算耦合分析技术

借助自研软件开发及现有的商业软件建立阻滞室大气总温传感器模型,用UG软件构建几何模型,以商用Fluent软件模拟传感器的三维CFD数值,采用共形网格划分实现大气总温传感器的流体与固体界面网格匹配。采用Realizable k-ε湍流模型以及数值仿真批处理脚本的方法,对大气总温传感器流、固耦合仿真进行计算,提高了仿真计算效率。利用该方法对常温常压风洞对大气总温传感器的校准进行仿真分析,得出常温常压条件下马赫数大于1时,恢复修正系数基本不随马赫数变化。在常温、马赫数为0.6条件下,在静压条件±0.1atm时或总温条件为-25~45℃时,恢复修正系数变化幅度很小,数值仿真结果具有一定的准确性。

水-空气耦合介质中冰载荷对闸墩的撞击影响研究

西北干寒地区长距离输水工程中河道修建的闸墩受到冰载荷撞击破坏,为确保冬季安全稳定供水,需进行冰载荷对闸墩撞击破坏力学特性研究。该文采用任意拉格朗日-欧拉(arbitrary Lagrangian-Eulerian, ALE)流固耦合(fluid structure interaction, FSI)方法模拟不同碰撞工况下冰体楔入闸墩碰撞过程,并通过对比实验,验证了冰材料模型参数和ALE算法的适用性,分析了网格尺寸对撞击力的影响。研究结果表明:计算得到冰载荷对闸墩撞击力极值与实验值具有良好的吻合性,表明该模拟所采用的冰材料模型参数、ALE算法和网格尺寸能够较准确模拟冰载荷对闸墩的作用力;闸墩损伤变形与冰排破损主要集中在碰撞接触区,接触区撞击力大小受到“水垫效应”的影响,空气介质对撞击力影响较小;不同冰厚和冰速工况下撞击力时程曲线呈现“Sawtooth”(上下波动)现象,撞击力加载-卸载时间较短;冰排楔入闸墩的过程中,撞击力极值出现在0°正碰接触区,在冰速1.2 m/s~3.0 m/s范围内,撞击力逐渐减小,在不改变冰速工况下,随着冰厚的增加,墩体结构响应越大,冰速和冰厚两种影响工况下闸墩顶端位移均为周期性振动。其仿真结果拟为西北干寒地区冰期河道中墩体结构安全提供指导。

基于CEL方法的带结构物溃坝流数值模拟

随着全球气温的不断升高,极端天气现象增多,溃坝现象成为水工结构方向需要重点防范的自然灾害。溃坝流的发展会对下游结构物产生巨大的破坏作用,因此深入探究溃坝流现象的水动力学特性以及溃坝流下游结构物所受到的冲击力影响势在必行。本文针对带有结构物的溃坝流动问题现象,采用CEL方法(Coupled Eulerian-Lagrangian analysis,耦合欧拉-拉格朗日方法),对于溃坝流的发展、演化进行了数值模拟。研究结果表明,模拟结果中溃坝流自由表面及流体尖端时程变化与文献试验结果拟合较好,CEL方法可应用在溃坝流现象的模拟,并且具有较好的准确性和精度。结构物材料性能、高度及与结构物与溃坝流间的位置,均会影响溃坝流的运动状态以及结构物的受力变形状态,在不考虑结构物破坏的情况下,提高结构物弹性模量,增加结构物高度,以及减小结构物与溃坝流间的距离均可提高结构物对于溃坝流的阻挡作用。

预应力效应对中速磁浮线路简支梁车-桥耦合振动响应的影响

以长沙磁浮线路简支梁桥为研究对象,建立考虑不同预应力效应的磁浮线路简支梁桥车-桥耦合振动模型,分析预应力效应对中速磁浮线路车-桥耦合振动响应的影响。结果表明:预应力效应的变化对桥梁动力响应影响明显,预应力增加显著加剧桥梁竖向振动加速度,预应力由0.67P0(P0为张拉控制应力)增加到1.33P0时,桥梁跨中竖向最大加速度从0.21 m/s^(2)增至0.44 m/s^(2);车速增加会加剧预应力效应的影响,对桥梁竖向振动加速度的影响尤为明显,车速由20 km/h增加到200 km/h时,在1.00P0作用下,桥梁跨中竖向最大加速度从0.15 m/s^(2)增至0.76 m/s^(2);箱壁局部变形对车-桥耦合竖向振动响应有显著影响,预应力导致的箱壁局部变形不可忽略。

高放废物处置库黏土围岩温度-渗流-应力耦合数值分析

深地质高放射性废物处置库运营过程中,围岩通常处在复杂的温度-渗流-应力多场共同影响的地质环境中,在温度-渗流-应力耦合作用下,合理地确定高放废物处置库硐室间距范围对处置库设计和长期安全稳定性评价尤为重要。基于国内外研究资料,针对塔木素预选区高放废物处置库黏土围岩,使用FLAC3D有限差分软件模拟计算了4种不同的硐室间距,并通过对围岩温度场、渗流场、应力场和变形场进行对比分析,对高放废物处置库硐室间距进行了优化。结果表明:在温度-渗流-应力三场耦合作用下,高放废物处置库黏土围岩相邻硐室间距最优设计值为10~12 m;当硐室间距小于10 m时,废物罐中心温度峰值超过了最高温度设计值100℃,当硐室间距大于12 m时,相邻硐室间的影响逐渐减弱,温度峰值逐渐趋近于单硐室。研究结果可为我国高放废物处置库黏土围岩硐室间距优化设计提供参考依据。

热管堆固态堆芯燃料辐照-热-力耦合性能分析

热管冷却反应堆(简称:热管堆)具有高可靠性和固有安全性、体积小、模块化和全固态堆芯等特点。固态堆芯燃料服役过程在高温、强辐照、固态约束多因素作用下堆芯的传热和力学性能受到严重影响,基体接触导致应力与间隙换热都随燃耗加深而发生较大非线性改变,且两者相互影响,因此基体在服役过程中的多物理场耦合的辐照-热-力行为复杂。本文基于有限元多物理场分析软件针对固态堆芯燃料开展辐照-热-力耦合分析,考虑UO2芯块与316不锈钢基体的辐照变形效应以及蠕变效应,并在固态堆芯间隙中引入间隙传热模型,探究固态堆芯寿期内间隙变化特点以及传热和力学耦合作用特性。结果显示:基体与燃料包壳的完全接触会导致芯块温度上升以及基体与包壳蠕变现象加强,燃料棒周围平均热管数量较少会导致附近区域较高的温度和应力分布,且寿期中该区域包壳因燃料棒内压和基体-包壳接触压力具有蠕变失效风险。分析结果表明间隙接触会对热管堆固态堆芯的传热和力学性能造成影响,甚至提高包壳的失效风险。

低渗透煤层气注热开采热-流-固耦合数学模型及数值模拟

为得到低渗透煤层气藏注热开采过程中煤层气渗流运移规律,探索原地煤层在注入蒸汽加热后对煤层气产量的影响,基于煤体渗透率、孔隙度随温度、应力,气体导热系数、杨氏模量、泊松比随温度变化的关系,综合运用渗流力学、岩石力学、传热学等相关理论,建立了低渗透煤层气注热开采过程煤层气渗流热-流-固多物理场耦合数学模型,采用多井开采方式进行了注热开采过程煤层气渗流规律的数值模拟。数值模拟结果表明:煤层注热10 d抽采100 d后,由于煤层的导热并伴有煤层气的对流传热,煤层平均传热速度为66.25 mm/h,注热开采造成储层压力降是无注热抽采压力降的2.45倍,在温度应力耦合作用下,煤层气注热抽采量是未注热抽采量的2.2倍,注热开采是低渗透煤层气增产的有效途径。

油井水力压裂流-固耦合非线性有限元数值模拟

基于多孔介质流-固耦合的控制方程,推导了相应的非线性增量有限元列式,并采用以节点位移和孔隙压力为自由度的黏结单元来模拟水力损伤造成的预设裂缝的起裂和扩展,在此基础上建立了油井水力压裂的有限元模型。在该模型中考虑了压裂液的黏性系数和支撑剂的体积浓度随时间变化,所有参数均采用现场压裂的数据。通过数值模拟,得到了缝口压力、射孔孔眼摩阻、沿程摩阻、井筒内液柱静水压力和地面井口压力随压裂时间的变化规律,并给出了"压裂作业三条线",模拟得到的"压裂作业三条线"与现场压裂实测结果吻合良好。

孔洞形状对层状岩石力学特性影响的FDEM数值模拟研究

为揭示孔洞形状对层状岩石力学性质和破坏模式的影响,采用有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)开展系列数值模拟研究。首先,阐述FDEM模拟层状岩石的基本原理,然后,开展不同层理倾角完整试样的单轴压缩模拟,并与试验结果进行对比验证。最后,对含有圆形、椭圆形、三角形、矩形和方形孔洞的层状岩石试样(β为0°、30°、45°、60°和90°)进行单轴压缩模拟研究。研究结果表明:对于不同孔洞形状的试样,抗压强度和试样破坏程度随层理倾角的增大呈V字型变化趋势,且均在层理倾角为0°时抗压强度取得最大值,在90°时破坏程度最为严重;孔洞的存在严重削弱了试样的力学性能,且削弱幅度与孔洞形状密切相关,其中方形和圆形孔洞对抗压强度的削弱能力最弱。将含不同形状孔洞试样的破坏模式随层理倾角的变化主要分为穿层理面拉剪混合破坏(β=0°)、沿层理面与穿层理面混合拉剪破坏(β=30°)、沿层理面剪切破坏(β=45°和60°)和沿层理面拉剪劈裂破坏(β=90°)。