超深层裂缝性致密砂岩气藏多尺度耦合流动数值模拟

塔里木盆地克拉苏气田白垩系气藏是罕见的超深层裂缝性致密砂岩气藏,该类气藏的储渗空间具有显著的多尺度特征,基质与多尺度裂缝、断层介质的渗透率级差相差5~6个数量级,常规渗流理论难以准确描述其流动规律和开发机理。为此,基于单裂缝流动物理实验结果及流体力学理论,结合多尺度裂缝几何信息,应用均化理论和体积平均尺度升级方法,将多尺度介质划分为5个流动系统,建立了考虑介质间的非稳态窜流多尺度耦合流动数学模型,并应用有限体积法对耦合流动模型进行了数值求解和数值试井分析。研究结果表明:(1)不同尺度裂缝中具有不同的流动特征,随缝宽增加流速加快,流动模态发生变化;(2)多尺度耦合流动模型与双重介质模型结果存在较大差异,导数曲线具有不同趋势特征;(3)应用所建立的多尺度耦合流动模型成功解释了气藏实际试井数据,模型能够反映实际地层中的流动过程。结论认为,超深层裂缝性致密砂岩气藏多尺度耦合流动模型揭示了多尺度裂缝以及致密基质间逐级动用、协同供气的开发机理,可为类似气藏制订合理开发技术政策及气藏提高采收率提供理论和技术支撑。

微纳米孔隙内气体流动特性与LBM数值模拟研究

目的研究瓦斯气体在煤层中的流动特性对于揭示煤层瓦斯赋存机理和扩散运移特性具有重要意义。煤中微纳米级孔隙结构十分复杂,为研究煤层瓦斯气体在微纳米孔隙中的流动特性,方法以均质纳米多孔炭薄膜为测试对象,采用扫描电镜实验对其孔隙大小和孔隙率进行定性定量分析;利用纳米尺度气体流动特征实验装置开展微纳米孔隙的气体流动实验研究,通过对比分析传统达西渗流模型和适用于微尺度下气体流动模型,结果得到更为详细的微纳米孔隙内气体流动特性:纳米多孔炭薄膜的视渗透率随着进气口压力的升高而下降,二者呈负相关的线性变化规律;视渗透率随着努森数降低而降低,二者呈正相关的线性变化规律,表明气体在微纳米尺度下的流动不符合传统的达西定律,滑脱效应和气体扩散不可忽视。采用格子Boltzmann方法(lattice boltzmann method,LBM)模拟不同进气口压力下的气体流动,得到不同气体压力下出口的气体流量,与实验结果进行对比,LBM模拟的平均误差为8.25%,整体吻合性较好,表明LBM数值模拟可有效揭示气体在微纳米尺度下的流动特性。结论研究结果可为今后分析煤层中的瓦斯流动机制和流动规律提供理论借鉴。

池式钠冷快堆复杂空间内流动与传热特性三维数值模拟研究综述

钠冷快堆是第四代先进核能系统的重要堆型之一。池式钠冷快堆安全裕量大,但结构较为复杂,其堆内一回路循环流动呈多尺度、复杂空间、多路径、三维流动等特点,给池式钠冷快堆计算与实验带来一定困难。近年来,计算流体力学(CFD)的快速发展为解决上述问题提供了重要技术路径,本文对池式钠冷快堆复杂空间内流动与传热特性三维数值模拟研究进行综述。对于全堆一体化整体计算,获取池式钠冷快堆典型对称/非对称工况下的三维温度场分布及关键热工参数瞬态变化,评价其余热排出能力;对于局部部件或区域精细化计算,获取局部三维流动与传热特征参数,也为全堆一体化计算提供关键输入。相关研究为池式钠冷快堆安全稳定运行及设计优化提供重要支撑。

网格尺度对三维水动力模型模拟滨海地区潮流特性影响的数值分析

构建了三门湾三维水动力模型,将计算结果与实测资料进行对比分析后设置了不同的网格尺度,对三个断面和四个典型点的潮流特性进行了分析。结果表明:当研究水域为港汊较多、地形复杂的海湾时,数值模拟计算值的相对偏差会随着网格尺度增大而增大,当网格尺度增大到一定值时,相对偏差会由于多种误差的正负累积而趋于稳定。地形是影响潮流计算的关键因素,在地形变化剧烈和水深较小的潮间带水域的潮差和流速值相对变化较大,在水深较大的平坦区域则几乎不受网格尺度的影响;流向对网格尺度的敏感程度较低,与网格尺度无明显关系;水平涡粘系数与网格面积呈正相关,且网格面积对流速变形率Sij较大处影响较大。综合分析,在进行潮流计算时,需要在地形复杂的岸边、水深较小的潮间带以及岛屿间进行网格的加密处理,考虑计算时间、模型计算的稳定收敛以及计算值的精确度等因素,确定合适的计算网格尺度,使得计算结果满足精度要求。

直接空冷系统流动特性的多尺度模拟研究

为分析大型火电机组直接空冷系统的复杂流动特性,提出了一种多尺度同步模拟方法:针对小尺度空冷凝汽器单元区域,采用正交分解方法(POD)建立关于空气速度场、湍动能和湍流耗散率的低维模型并进行求解;在空冷单元与空冷岛的跨尺度界面上,将低维POD解保留的小尺度传输信息作为边界条件,实现对大尺度区域流动和传输特性的数值模拟.以二维空冷凝汽器单元与空冷岛组成的多尺度物理模型为例,对该方法进行了验证.结果表明:所提出的多尺度同步模拟方法能够实现空冷系统空气流动特性的跨尺度关联,揭示出不同尺度湍流涡的相互作用机制;与传统数值模拟技术相比,显著节省了计算时间和计算资源,且所得模拟结果精度较高.

烟气CO_(2)捕集塔内流动特性模拟与优化

洗涤和吸收系统是化学吸收法碳捕集技术核心之一,是实现烟气CO_(2)有效捕集的重要保障。为提高洗涤塔对SO_(2)、粉尘等污染物的去除效率,提升吸收塔对CO_(2)的吸收效率,降低洗涤塔和吸收塔运行阻力,应用数值模拟,建立了有机胺化学吸收法碳捕集洗涤塔和吸收塔流动模型。通过对塔内烟气流动特性进行分析, 优化了入口烟气角度、入塔烟气流速、入口烟道与填料间高度和塔内积液盘结构等。结果表明:当吸收塔入塔烟气倾角≥10°时,吸收塔内填料层前速度偏差和压力损失较0°的水平入口倾角均明显降低,入塔烟气倾角为15°时最佳;随着入塔烟气流速的增加,洗涤塔和吸收塔入口相对标准偏差和压力损失均随之增加。在塔入口增设双列叶片式气体分布器后,塔内第一层填料前截面烟气流速分布更均匀,但压力损失偏高,优化积液盘结构后,积液盘前截面烟气流速相对标准偏差和压力损失也显著降低,有效节约了系统能耗。

基于数值模拟方法的多孔板流阻特性与流动机理研究

多孔板作为节流装置广泛应用于工业界,明确多孔板流阻特性的主要影响因素和流动机理对该类装置的工程应用具有重大意义。针对影响多孔板流阻特性的结构参数,以内流直管道的多孔板为研究对象,通过数值模拟方法分析了开孔率、深径比以及小孔数量对多孔板前后压降系数的影响机理,重点讨论流动的机理特征。结果表明:开孔率对压降的影响比较明显,开孔率越小,压降值越大;相比开孔率对压降值的影响,深径比对压降的影响不大;在同样的开孔率下,多孔板的流阻更大,但是其可以产生更快的压力恢复;小孔数量为5时,小孔下游涡量紊乱性明显,涡间干扰相较单孔更强。

火源深度对深井立式空间火灾烟气流动特性及火灾探测方式的影响分析

为掌握深井立式车库、深地矿井等深井立式空间内火灾烟气运动规律,进而对此类火灾进行预警,以某深井地下车库为原型,构建深井立式空间模型,通过数值模拟分析火源深度和热释放速率对深井立式空间火灾烟气流动特性的影响,并掌握温度场和速度场的变化规律。研究结果表明:当火源深度足够大时,由于向上的浮力和速度减小,烟气可能无法到达井口,火源位置越深,其上方热烟气温度越高;并且火源深度对烟气流动的影响存在临界值,即临界深度,当火源高于临界深度时,火源可以从深井出口外卷吸空气,当火源低于临界深度时,火源仅能从深井内部卷吸空气。研究结果可为深井立式空间火灾的预测预警提供科学参考。

润湿性对模拟原油微尺度流动和渗流的影响

考察了流体在不同润湿性条件下在低渗透多孔介质微米量级孔喉中流动的渗流特性,实验研究了模拟原油(航空煤油与胜利油田原油以5∶1的体积比配制)在内径为14.9μm、5.03μm、2.05μm的亲水和憎水微圆管中的流动特性。结果表明,模拟原油在5.03μm和2.05μm亲水和憎水微管中的流动均出现了明显的微尺度效应,流动规律均偏离经典理论,且模拟原油在亲水微管中的流量高于其在憎水微管中的值。根据微管实验数据,利用毛管束模型分析了润湿性对模拟原油在多孔介质中渗流特性的影响。在考虑微尺度效应的条件下,模拟原油在低渗透多孔介质中的流动为非线性渗流,润湿性显著影响。在其他条件相同时,模拟原油在亲水模型中的视渗透率大于其在憎水模型中的值。

水平90°弯管内冰浆流体流动特性的数值模拟

以水平面上90°弯管内冰浆流体等温流动为研究对象,采用双流体混合模型,借助于计算流体力学(CFD)模拟方法,研究了90°弯管内冰浆流体三维流动特性。结果表明,冰浆流体在弯管内湍流流动过程中,会呈现出类似于单相流体流经弯管时的二次流现象。弯管内的二次流动加剧了冰粒子与液体相间的混合,使得冰粒子在弯管出口截面处趋于均布。通过比较不同湍流模型计算获得的冰浆流体管道压降,发现模拟值与实验值间的相对误差均可控制在±20%内,但模型精度不尽相同;当浆体处于低速高浓度区域时,k-ε湍流模型预测效果较为理想。随着冰粒子浓度降低,由k-ω和SA(Spalart-Allmaras)湍流模型得到的管道压降模拟结果与实验测试值更为接近。

六角切圆炉膛气流流动特性的数值模拟

在试验研究的基础上 ,采用K -ε双方程湍流模型对六角切圆燃烧锅炉进行冷态数值模拟 ,研究炉内气流流动特性 ,突出原始设计工况与各种改进工况的对比 ,分析原型锅炉受热面结渣的原因 .数值模拟研究发现 ,燃烧器六角布置的锅炉具有不同于四角锅炉的独特的炉内空气动力场 ,侧墙燃烧器对炉内流场影响较大 ,上排燃烧器二次风假想切圆加大有利于炉内燃烧 ,与试验结果吻合较好 .

方锥管布浆器内流动特性的数值模拟

为了研究方锥管布浆器内的流动特性,采用计算流体动力学方法,对方锥形布浆总管内速度分布、压力分布及支管束的质量流量分布进行了分析,并对Baines简化型、分段近似型和改进型3种不同结构的总管进行了对比研究.结果表明:常用的简化型总管,其内部流动存在显著的不均匀性,沿总管方向有明显的压力梯度,导致支管束的质量流量沿总管方向分布不均匀.分段逼近型和改进型总管内也存在明显的压力梯度和浆料分布的不均匀性.3种结构总管支管束的质量流量分布与期望值均有较大偏差,按简化型、分段近似型、改进型顺序依次增大.基于Baines方法设计的方锥形总管后壁形状与期望形状差别较大.

竖直管道内冰浆流体流动特性的数值模拟

为研究竖直管道内冰浆流体流动特性,采用基于颗粒动力学理论的两相流双流体模型,通过CFD模拟研究了竖直管道内冰浆流体的等温流动过程。结果表明,在竖直管道内冰浆湍流输送过程中,流速沿管道中心轴线处近似呈对称分布。当冰浆流速较低时,管道截面处冰粒子的速度分布梯度较小,浓度分布趋于均匀,而随着冰浆流速升高,冰粒子的流场及浓度场均呈现出一定的梯级分布:管道近壁面处冰粒子浓度较低,而管道中心处冰粒子浓度较高,并在略偏于管道中心轴线位置处冰粒子浓度达到峰值。竖直管道内冰浆流体的流向变化对速度分布影响较弱,但对冰粒子浓度分布会产生一定影响,进而使得冰浆流体的管道压降在不同流向时存在着一定差异。

管道内冰浆流动压降特性模拟和实验研究

本文采用以颗粒相动力学为基础的Euler-Euler模型,利用FLUENT研究冰浆在水平直管、90°弯管和T型管中的流动压降特性(计算过程不考虑相变)。模拟结果显示,在管道入口处压降较明显,90°弯管拐弯后内侧压力小于外侧,T型管在分流直角拐角处出现压力最高点和最低点。冰浆流动实验发现,冰浆单位压降随流速和含冰率的增加而增大,且3种管型中直管压降最小,T型管压降最大。对比实验与模拟结果,单位压降随流速的变化趋势一致,且误差在20%以内,但在大流速时,模拟值大于实验值。

中心型蝶阀流场的数值模拟与流动特性分析

利用FLUENT软件对DN250中心型蝶阀进行恒速定常流分析，模拟了不同开度的蝶阀流动情况并对其流动特征进行分析；针对模拟结果对流阻系数、相对流量系数及水动力矩系数三个重要参数进行计算分析，分析结果表明：开度在0°～30°内，流动扰动和阻力系数都较大，造成大量能量损失，不适宜阀板正常工作；阀板开度大于60°，流动阻力系数较小流态稳定，阀板受力较小，流体不会对阀板造成大的冲击；在蝶阀开度为70°时，水动力矩系数达到峰值0．193。研究结果为蝶阀设计提供重要参考依据。

分离涡方法模拟浓淡气固射流两相非稳态流动特性研究

利用分离涡模拟(Detached eddy simulation,DES)这一新型湍流模拟技术对撞击式浓淡燃烧器内部和出口射流的气固两相流动结构进行了模拟,获得了浓淡燃烧器出口射流的旋涡拟序结构,模拟了射流出口旋涡生成、发展和脱落的规律。对于颗粒场,应用了Lagrangian方法跟踪颗粒运动,获得了浓淡燃烧器出口射流中不同Stokes数颗粒在射流流场旋涡拟序结构作用下的运动扩散规律。结果表明,射流外边界处的大涡是引起浓淡侧小颗粒相互混合的主要因素,而煤粉气流中Stokes数大于1的颗粒在射流中基本不会发生浓淡混合现象,燃烧器下游的浓淡分离效果可以在较长的距离内得到保持。

流化床内不同密度颗粒流动特性的数值模拟

将计算流体力学和离散单元法相结合,在自行开发程序上对流化床内随机生成的密度服从正态分布的颗粒的流动特性进行数值模拟,得到了不同床层表观气速下床内颗粒的流化过程图、气相速度场以及不同密度颗粒的速度场、体积分数沿床高的分布和分离率.结果表明:在较小床层表观气速下,床内不同密度的颗粒会出现分离现象,并且颗粒的密度差越大,颗粒分离越明显,当增大床层表观气速后,颗粒间的分离程度减弱;小密度颗粒的速度大于大密度颗粒,颗粒间的密度差越大,颗粒间的速度差也越大.

不同物性对椭球形颗粒在移动床中流动特性影响的模拟研究

采用多元颗粒模型对椭球形颗粒在移动床内的流动进行了离散单元法直接数值模拟。椭球形颗粒由3个叠加在一起的球元构成,建立了椭球形颗粒的碰撞机制,详细分析了其运动过程中的受力情况,主要是碰撞力和重力,并通过实验验证了模型的正确性。探讨不同物性颗粒在移动床内的流动特性,分析颗粒物性对流型、空隙率分布以及颗粒分离情况的影响。结果表明,滑动摩擦系数越小,颗粒流动越接近整体流,滑动摩擦系数越大,颗粒流动越接近漏斗流,且滑动摩擦系数越大,空隙率的波动范围越大,滑动摩擦系数越小,空隙率分布越均匀。滚动摩擦系数和弹性恢复系数对流型和空隙率的影响都很小。在二元混合物中,颗粒直径比越大,空隙率越小。不同尺寸颗粒混合物会导致颗粒分离,在下料时,颗粒直径比越大,细颗粒含量越少,但在物料卸出90%以后,细颗粒含量反而变大。滑动摩擦系数增大,在下料初始和最终阶段,细颗粒含量变大,而在下料中间阶段,细颗粒含量变少。

地铁车站内流动特性的数值模拟

应用计算流体力学(CFD)方法对地铁列车的进站、出站过程进行了瞬态模拟,得到了不同工况下地铁车站内的气流场分布,分析了列车的运行对车站内流场的影响,并讨论了活塞效应在车站自然通风中的作用.模拟结果表明,列车运行形成的活塞风对车站内的气流组织影响显著,同时也起到了通风换气的作用.站端设置活塞风井能够有效加强车站的自然通风,并降低站内的气流速度.

高压蒸汽阀门内流场的二维数值模拟及流动特性分析

高温、高压、高压差的蒸汽调节阀中的流动不稳定导致异常的振动,造成阀门的磨损及阀杆破坏以及流动中的压损。这些问题引起许多设计制造部门和研究单位的高度关注。为此,通过数值模拟的方法对二维的高速蒸汽阀门内流场进行理论计算和流动的定性分析。搞清阀内气流不稳定的流动情况,并在此基础上对阀芯进行改型,得到改型后的阀门所受激振力小的结论。通过与实验比较,得到了良好的仿真。