多孔介质流-固-热三场全耦合数学模型及数值模拟

给出多孔岩体介质的流–固–热三场全耦合数学模型。假定流体为单相流,固体介质为非沸腾的饱和、热弹性多孔介质,该模型由流体物质守恒方程、力学平衡方程和能量守恒方程这3个相互耦合的方程组成,其中包含了众多耦合项,并定义一系列的本构关系及耦合变量。以FEMLAB工具为基础,将该数学模型转化成为一个统一的偏微分方程组,在人机交互的环境下,实现流–固–热三场全耦合数值求解,一次解出渗流场、位移场和温度场,给出更接近真实物理过程的数值解答,避免松散耦合法求解多场耦合问题带来的误差。利用一个已知解析解和数值解的算例来证明了耦合模型及求解方法的正确性。最后模拟通过井孔向岩体中注入冷水时流–固–热全耦合过程,详细地分析全耦合作用对井壁围岩应力的影响,计算结果表明:流–固–热三场耦合作用对井壁的稳定分析有非常重要的影响。

流-固-热多物理场耦合作用下安全阀密封性分析

针对弹簧式安全阀快速回座使得阀盘与喷嘴之间发生冲击进而导致密封结构破坏的问题,提出了考虑流-固-热多场耦合的阀门冲击过程分析方法。建立了用于安全阀瞬态过程仿真的CFD模型,同时针对弹簧式安全阀的固体结构建立了有限元模型,并开展了热力学、静力学与动力学仿真和试验对比。结果表明,仿真和试验所测得的阀瓣位移的变化趋势一致,两者偏差为9.86%,最后时刻的阀瓣速度偏差为3.70%,冲击力两者的偏差为6.94%;随着介质压力增大到18.50 MPa,阀盘最大应力和最大接触压力都呈现了先减少、再增大的趋势,同时,密封面实际接触位置由外圈过渡到内圈。研究结果可为安全阀前期设计提供依据。

煤层气热-流-固耦合渗流的数学模型

在煤层气的开采过程中 ,煤体变形与流体流动是相互耦合作用的。由于甲烷气的解吸热效应 ,煤层气的渗流又是一个非等温过程。因此对渗流场、变形场及温度场耦合作用下煤层气的渗流规律进行研究具有重要的意义。本文综合利用流体力学、岩石力学和传热学理论 ,给出了考虑温度场、流体渗流场和变形场作用下的水 -煤层气两相流体渗流理论 ,并给出其耦合求解的方法 ,通过数值模拟的方法 。

汽轮机通流部分热-流-固耦合数值模拟计算

利用Fluent软件建立某汽轮机调节级及高压前四级的三维模型,采用标准k-e模型对其内部进行热-流-固耦合数值模拟,详细分析了内部流场的气动性能,并与热力设计值进行详细比较,掌握了汽轮机调节级及压力级进行气动性能分析的方法,结果表明所建立的数学物理模型正确,得到的结果可信。

热-流-固耦合的群井抽灌环境效应分析

分析了地下水源热泵系统3个物理场之间的耦合作用,利用有限元软件建立了热-流-固三场不完全耦合的数值计算模型;通过对渗流场、温度场、应力场、位移场的分析得出:抽灌水引起的水头差导致的强迫渗流对渗流场的分布起主导作用;土体传热和热对流对温度场的影响远小于渗流的影响;应力场主要有两部分:一是温度变化引起的热膨胀应力;二是地下水的强迫渗流对土骨架的作用力;位移场是应力场的外在表现,规律与应力场基本相似。

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明:随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。

基于热-流-固多物理场耦合的薄片激光器温度场研究

基于热-流-固多物理场耦合模型,仿真分析了高功率大口径薄片激光器冷却和抽运过程中的流动、对流扩散和热传导过程,对冷却液流场分布和工作物质温度场分布进行了分析,研究了抽运功率、冷却液流速对激光工作物质温度场分布的影响。仿真结果表明:冷却液流动、热传导和对流扩散引起冷却液温度在流动方向上逐渐升高,激光工作物质的温度在冷却液流动方向呈非对称分布,对称轴上的最高温度点在冷却液流动方向偏离激光工作物质轴心。激光工作物质在冷却液流动方向的对称轴的入口段与出口段的温差随抽运功率呈线性变化,随冷却液流速呈非线性变化。实验测量结果与模拟结果相一致。

超临界CO_(2)渗流的流-固-热多场耦合机理研究

页岩地层遇水易发生黏土矿物膨胀、分散等水化现象,导致常规水基钻井液、压裂液作用下易发生井壁失稳或压裂增产效果差等难题.超临界CO_(2)可以有效避免黏土矿物水化和地层物性损伤,基于此,学者们开展了利用超临界CO_(2)开发页岩油气资源的基础研究.超临界CO_(2)的物性随温度、压力变化较大,描述水基流体渗流过程中的多物理场耦合模型不适用于描述超临界CO_(2)渗流.为建立适用于描述超临界CO_(2)开发油气资源过程中的多物理场耦合特征模型,本文在考虑CO_(2)的运移特性和热力学特性的基础上,结合超临界CO_(2)对页岩力学特性影响规律,构建了超临界CO_(2)渗流条件下的流-固-热多场耦合模型,基于有限元数值计算方法研究了超临界CO_(2)渗流条件下的地层温度、孔隙压力和地层应力的时空分布规律,同时与水基钻井液渗流条件下的多物理场进行了对比分析.计算结果表明:在相同时间和井周方位的情况下,相比于水渗流,超临界CO_(2)渗流条件下的地层温度变化更大,孔隙压力更低,最小水平地应力方向的井周应力差更大,最大水平地应力方向的周向应力更小.该研究可为开展超临界CO_(2)钻井的井壁稳定性分析、超临界CO_(2)压裂设计和评价提供理论基础.

基于多场耦合的涡轮叶片静强度计算分析

涡轮叶片是航空发动机最昂贵和最关键的部件之一,它们在高交变负荷、极端温度、侵蚀和腐蚀的恶劣工作条件下运行。为了保障涡轮的正常运行以及防止事故的发生,在涡轮叶片静强度设计过程中需要考虑热-流-固多场耦合作用;建立了涡轮叶片的多场耦合计算流程,综合考虑热负荷、离心负荷和气动负荷对涡轮叶片静强度设计的影响;通过对涡轮叶片进行静强度分析,得到了叶片在热负荷、离心负荷和气动负荷综合作用下的应力分布,确定了涡轮叶片强度危险点的位置和最大等效应力,可以为涡轮叶片的寿命预测提供依据。

基于CFD的滑靴副多场耦合特性研究

滑靴副作为斜盘式轴向柱塞泵的主要摩擦副之一,长期工作于高速、高压、高温等一些复杂极端环境中.本文建立了滑靴副中流场的基本控制方程,构建了滑靴副多物理场耦合的有限元模型,通过CFD技术对滑靴副流场进行模拟分析,并在此基础上对滑靴副流-固-热多物理场耦合进行仿真,得到不同工况下油液的压力场和速度场的变化规律以及流体的压力和温度对滑靴副的总变形量、应力的影响.结果表明,随着工作压力增大,油液在阻尼管路中压力损失增加,油腔内涡旋个数及尺寸增大.除此之外还发现滑靴副变形量和最大应力对油液温度较为敏感.本文工作为滑靴副的结构设计提供了一定的技术支持,并且对于提高滑靴副的整体性能有着重要的意义.

高压高剪切率下密封环缝隙流体动态润滑特性

为减少高压高剪切率下热效应对密封环缝隙流体润滑性能的影响,以密封环缝隙流体剪切速度梯度、壁面剪切应力和油膜温升表征摩擦副润滑性能,采用RNG k-ε湍流模型,通过Workbench建立流-固-热多场模型,计算得到不同主轴转角下缝隙流动形态变化规律和温升前后油膜厚度变化量、不同L型槽内外径比及长径比下流速流型分布规律、壁面剪切应力、温度分布和热变形量。研究结果表明:密封环L型槽黏性底层随剪切速度增大而增厚,油膜厚度随运动周期增加而变薄;当L型槽内外径比小于1.07时,随比值减小密封环壁面剪切应力不断增大,最大变化率为7%;密封环L型槽长径比在0.19时平均壁面剪切应力达到最大,当长径比继续增大时,油膜区剪切速度梯度逐渐减小,油膜温升和热变形亦随之减小。研究结果可为马达优化以减少能量损失和改善密封环润滑条件提供理论指导和依据。

基于THM的井壁稳定性分析

利用流-固-热三场耦合控制方程,根据井壁稳定分析所要研究的对象,对方程做必要的简化,并结合与井壁稳定性分析相适应的边界条件,用有限元法求解方程,探究流-固-热三场耦合作用下的井壁稳定性问题,为解决油气井井壁稳定问题提供理论依据.结果表明:考虑三场耦合的条件下,温度变化对井壁稳定的影响程度主要取决于岩石骨架和地层流体的热膨胀系数值及钻井液温度与地层温度差;井壁温度与钻井液温度差值越大,井壁越趋于不稳定.

欠平衡钻井井底岩石的应力状态

欠平衡钻井较常规钻井钻速高,这与其井底待破碎岩石所处的应力状态有着密不可分的关系,而井底岩石的应力状态受地层孔隙压力和温度的共同影响。基于流-固-热三场全耦合基本理论,根据欠平衡钻井中井底待破碎岩石所处的实际状态,对耦合控制方程加以简化,结合与井底岩石应力状态分析相适应的边界条件,利用有限单元法研究了欠平衡钻井过程中地层孔隙压力和地层温度对井底岩石应力状态的影响机理。研究结果表明,随着钻井液液柱压力和井底岩石温度的降低,井底岩石的各个主应力均在减小,降低程度与压差和温差有关:压差和温差越大,井底岩石的各个主应力减小幅度越大。降低速率与岩石渗透率和热传导率有关,渗透率和热传导率越大,井底岩石的各个主应力变化越快,地层孔隙压力辅助破岩的效率越低。

基于ABAQUS的温度对钻井液漏失影响规律

深层油气储层高温、高压、高应力特点给钻井工程带来极大挑战,其中钻井液漏失是常见的钻井复杂工况之一,严重制约其勘探开发进度。为研究在深层钻井过程中温度对钻井液漏失的影响规律,以ABAQUS软件平台为基础,建立了考虑钻井液动态循环的热-流-固全耦合漏失有限元模型,分析了不同钻井液温度条件下的井周应力分布、地层温度场变化、漏失裂缝延伸规律和钻井液漏失规律。研究结果表明:当钻井液温度低于地层温度时,会产生“冷却”效应,导致地层遇冷收缩,井周应力降低;低温循环会降低漏失排量阈值,且相同排量下,低温循环漏失发生得更早。然而,低温钻井液对于地层温度场的影响仅存在于近井区域。短期内,诱导裂缝宽度和长度依然由钻井液排量主导,仅在近井区域的裂缝宽度上表现出了“冷却”效应的影响。建立的热-流-固全耦合模型可以描述动态钻井过程中温度对钻井液漏失规律的影响,可为高温地层钻井设计和现场施工提供研究方法和参考数据。