计算流体动力学耦合离散单元法在支撑剂方面的应用进展

非常规致密/页岩储层开发问题中,支撑剂运移规律具有重要影响。明确支撑剂在裂缝中的运移规律对压裂作业十分关键。CFD-DEM模拟技术针对流体-颗粒系统具备高解析度,为支撑剂的运移、分布研究提供了有效方法。介绍了此模拟方法在支撑剂运移研究中的最新进展,深度分析了CFD-DEM模拟方法在支撑剂运移规律研究中的独特优势与CFD-DEM模型的原理和特点,总结了支撑剂在不同环境条件下的运移特征和分布规律,更全面、准确地揭示支撑剂运移的复杂机制,推动非常规油气开采朝着更加科学、高效、可持续的方向发展。

基于计算流体力学-离散单元法的U形管冲蚀磨损数值模拟研究

采用计算流体力学-离散单元法(CFD-DEM)和切向撞击能模型(SIEM)来研究气固两相流中高速煤粉颗粒冲击导致的U形弯管冲蚀磨损问题。分析了颗粒粒径、气体流速、固体颗粒形状对其冲蚀磨损特性的影响,并验证粗粒化模型应用于此磨损过程的准确性。结果表明,U形弯头的冲蚀磨损位置主要有3处;磨损率随粒径的增大呈现整体减小的趋势;U形管拱背磨损率随气速的增加而增大,且前2处磨损率峰值位置随气速的增加向入口方向偏移;长椭球对U形管造成的磨损最严重,扁椭球次之,球形最轻;粗粒化CFD-DEM能够基本准确预测U形管冲蚀磨损,且显著降低计算时间。

基于流体动力学-离散单元耦合算法的海底滑坡动力学分析

采用计算流体动力学(CFD)和离散单元法(DEM)建立描述水与颗粒相互作用的耦合算法,用以分析海底滑坡的动力学特性。通过颗粒堆积体坍塌试验验证了模型的有效性。模拟分析了不同初始高宽比的水下坍塌过程,并与空气中的坍塌过程进行详细对比。研究表明:该耦合算法可以较好地描述海底边坡的失稳、流动、堆积过程;水下滑坡体与水体会发生复杂的相互作用,在颗粒由垂直下落转为水平流出时,会在水中形成涡旋;在高宽比较大的情形下,水中涡旋会明显改变颗粒最终堆积的表面形态;水中滑坡的移动距离较小、堆积厚度较大、表面松散介质易受水流影响。

基于计算流体动力学与离散元法的离心泵内流场及磨损的数值模拟

利用离散单元法与流体动力学耦合的方法研究了不同入口流速(0.6、1.2、1.7 m/s)和额定转速(2650、2800、3000 r/min)下单级离心泵内部流场变化、磨损部位、磨损量、输送能力。结果表明:离心泵叶轮叶片尾部易发生空化现象,入口流速对叶片空化现象、出水管道滞留区域产生的影响大于转速的;9种工况下离心泵最大磨损量出现在叶片尾部,转速从2650 r/min变化为3000 r/min时,磨损最严重的部位由叶片1、4尾部变为叶片1、2尾部,叶轮叶片为离心泵磨损最严重的部件,占离心泵总磨损量的38.10%~49.41%;离心泵内沙粒平均停留时间表明,流速对离心泵输送性能的影响大于转速的,入口流速0.6m/s、1.2m/s、1.7m/s下沙粒平均停留时间分别为0.144、0.068、0.052 s,说明随着流速的增加,离心泵输送性能增强。

基于快速虚拟释放算法和离散元方法的颅内动脉瘤治疗中的血液动力学研究

目的旨在验证新型颅内扰流装置(intrasaccular flow disruption device,IFD)装置在治疗颅内动脉瘤中的有效性和可行性,并开发包含IFD装置的快速虚拟释放算法(fast virtual deployment algorithm,FVD)和血液动力学计算的虚拟手术规划平台。方法采用自适应的贴壁和曲率控制系统来实现IFD装置快速虚拟释放,同时应用离散元(discrete element method,DEM)方法进行血液动力学计算。该算法在理想模型和6例患者特异性模型中进行了验证。结果和结论在理想模型中,FVD算法相较于台架试验和高精度有限元算法,能够准确地预测IFD装置的短缩行为。而在患者特异性模型中,FVD算法与有限元算法相比,能够准确捕捉IFD装置的占位情况,并与造影图像结果吻合。此外,FVD算法在6例病例中的计算时间均在1 min以内,明显快于有限元算法,显示出明显的优势。基于DEM的血液动力学计算也成功地捕捉到了射流形态和壁面特征,验证了IFD装置的治疗有效性,并与基于贴体网格的有限体积法相比,表现出更短的计算时间。综上所述,FVD算法能够在极短的时间内完成IFD装置的虚拟释放,并基于DEM的流体计算方法也能在短时间内获得流场形态。二者的结合为虚拟手术规划平台的搭建提供了有效手段。研究为IFD装置在颅内动脉瘤治疗中的临床应用奠定了基础,并为进一步的研究提供了新的方向。

间断级配砂土渗流侵蚀现象的计算流体力学-离散元耦合模拟

渗流侵蚀会导致土体中土颗粒的随水流流失,改变土体力学和水力特性,工程中常引起土石坝的变形甚至破坏。利用流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM),针对广泛存在于坝基、土石坝滤芯以及油气井反滤层中的间断级配砂土,对其级配进行合理简化后研究其在水力作用下的渗流侵蚀特性。通过8组模拟向上渗流试验研究了水力梯度、试样所受围压以及细粒含量对间断级配砂土渗流侵蚀过程的影响。试验中监测了细粒流失质量、细粒流失率、土表位移、微观组构变化等宏微观现象,并与既往室内试验进行了对照验证。同时,对渗流前后土体进行了排水剪切试验,研究渗流侵蚀对土体抗剪强度的影响。试验结果表明,在数值模拟试验条件下初始细粒含量变化对于细粒流失质量、峰值细粒流失率、土表位移及渗流前后的力学特性影响较试验中围压与水力梯度的影响更为显著。通过对微观组构的分析,发现不同细粒含量的试样在渗流过程中接触网络的构成与变动差异较大,细粒含量在35%的阈值附近,会发生土体力链传递结构的转换。三轴结果表明,细粒流失还会导致土体峰值强度降低、50%强度处的割线模量E50减小。

基于计算流体动力学的搅拌浆液箱的结构优化

用计算流体动力学(CFD)软件对烟气脱硫过程中浆液箱内固-液两相流的流场进行数值模拟。分析了不同桨型对流场分布的影响和功率消耗,考察了挡板对固液悬浮的影响。模拟结果表明:从流场分布和功率消耗来看,三斜叶开启涡轮桨的搅拌效果较好;全挡板条件下,搅拌槽内固体体积分数分布均匀。本研究结果可为搅拌浆液箱的工程应用提供参考依据。

基于计算流体动力学的煤炭地下气化过程数值模拟

为了对煤炭地下气化过程产生的混合物气体组分进行有效分析,在一个给定的几何结构和煤块均匀分布条件下,采用计算流体动力学理论建立了一个固定床煤炭地下气化过程的三维数理模型。该模型中的反应器考虑了气固两相流动,并生成了离散化数值网格。采用气相运动k-ε湍流模型,利用ANSYS/Fluent软件对该模型的技术参数进行了分析。以定性和定量的形式对煤气化过程的气体组分(CH_4、CO_2、CO和H_2)进行了实验分析,结果表明:提出数值模型得到的组分计算值与实测值吻合较好,平均相对误差12.17%。此外基于获得的相关性系数验证了提出数值模型的适用性。

基于计算流体动力学的颗粒磨蚀管道弯头研究

为了探究气-固两相流中颗粒对管道弯头的磨蚀机理,采用计算流体动力学软件对90°弯头进行磨蚀模拟研究。结果表明：颗粒在弯头内的轨迹是先汇聚、后发散的过程,弯头壁面上颗粒汇集程度最大的位置也是磨蚀最严重的地方;随着气流速度与颗粒粒径的改变,最大磨蚀点分布在与x=0坐标面夹角为70~90°的截面之间,并且分布在z=0平面的一侧;最大磨蚀率与颗粒流量成正比;在颗粒质量流量为0.1 kg/s的条件下,当颗粒粒径小于45μm时,气流速度对最大磨蚀率影响不大,当颗粒粒径大于45μm时,最大磨蚀率与气流速度接近二次多项式关系;当气流速度为20 m/s时,粒径介于45~75μm的颗粒的磨蚀率最大,而且颗粒流量越大,这种趋势越明显。

微反应器计算流体力学与离散元建模及调控

为了提高微反应器内部流场均匀性,抑制固相颗粒团聚,提出超声波耦合流场强化调控方法.基于计算流体力学与离散元耦合(CFD-DEM)方法,建立微反应器流体动力学模型,得到微反应器流道的多相流场分布与颗粒运动规律.对可实现k-ε湍流模型源项进行修正,得到微型反应器在超声波激振作用下的颗粒碰撞冲击效应与内部流场非线性分布特征.结合分形方法,对流道中的颗粒群混沌态分布进行定量分析.以T形汇流反应器为例,开展数值仿真研究.结果表明,超声波耦合流场强化可以提高反应器内的流场分布均匀性,对离散颗粒团聚进行有效的抑制.

二维导流管喷动床离散颗粒动力学模拟

采用离散单元法(DEM)-计算流体力学(CFD)双向耦合数值方法对二维导流管喷动床进行了模拟,颗粒的运动通过DEM模型描述,而气体的运动用Navier-Stokes方程进行求解,气体和固体颗粒之间的相互作用通过曳力形式传递。文中将DEM和边界元方法(BEM)结合起来解决颗粒在具有复杂边界设备内的运动。通过采用BEM+DEM-CFD相结合的方法进行模拟计算,得到了喷动床的最小喷动速度,研究了不同表观气速下床内的流型,得到了二维导流管喷动床的床层压降与表观气速的关系,统计分析了喷射区、环隙区内颗粒的运动速度和相应的空隙率,全面地描述了二维导流管喷动床内的气固流动特征。

基于离散元与光滑粒子流体力学耦合的高浓度尾砂浓密过程仿真

为实现对高浓度尾砂浓密过程的动态可视化观测和定量化表征,弥补常规物理相似模拟和数值模拟方法适用性较差的不足,提出了一种基于离散元(DEM)和光滑粒子流体动力学(SPH)耦合的高浓度尾砂浓密仿真方法,并采用该方法对某矿全尾砂浓密工艺进行了模拟仿真。通过建立与工业机结构一致的全尺寸深锥浓密机模型,基于物理试验标定固液两相流体仿真参数,以浓密机底流浓度作为主要评价指标,将仿真结果与现场生产情况进行对比,结果显示二者误差极小,验证了仿真模型的准确性和可靠性,为矿山充填浓密工艺研究与优化设计提供了一种新方法。

耦合DEM-CFD法双入口磨粒流动力学模拟及加工试验

针对单入口磨粒流加工装置光整不均匀问题,提出了双入口磨粒流加工装置,为了解决传统CFD软件不能跟踪颗粒撞击壁面问题,结合DEM和CFD方法,通过耦合PFC和CCFD软件,利用DMP颗粒运动模型和标准k-ε湍流模型来模拟磨粒在流场中的运动。仿真中,通过PFC记录磨粒撞击壁面的速度和次数,通过CCFD记录流场运动状态,并应用Abaqus中Johnson-Cook模型分析了撞击速度和撞击次数对靶材质量损失的影响。数值模拟结果表明,双入口装置内两股流体撞击使得磨粒运动更为无序,磨粒撞击壁面次数大大增加,同时撞击壁面速度大于40 m/s的次数达到1 382次,远大于单入口的563次,使得加工面的材料去除速度更快。加工试验结果表明,加工30 h后,双入口装置加工的工件表面粗糙度R a=0.35μm,单入口装置工件表面粗糙度Ra=0.65μm,加工效率明显提高。

拉氏流体动力学相容计算方法程序CHAP及其应用

对于所有的数值模拟方法而言，其基本宗旨是离散后的控制方程尽可能地忠实于原微分形式控制方程，准确地反映微分形式动力学控制方程所显含及隐含的基本运动规律。然而，在只考虑截断误差精度的离散过程中，往往失去了原微分形式方程所含有的重要物理性质，或者只是近似满足，这种近似性在某些情况下往往变得很差。例如，在能量方程的离散中，现有方法往往不考虑动能、内能和总能之间的严格物理关系，造成的结果是，对内能方程离散不能严格保证总能守恒。

基于MR成像布-加综合征血流动力学数值模拟分析

目的布-加综合征(Budd-Chiari syndrome,BCS)的血流动力学机制是近年来的研究热点。本研究应用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对BCS患者的下腔静脉进行三维数值模拟,探讨其血流动力学特性。方法采用Ansys软件对布-加综合征患者的MR图像进行三维重建,构建下腔静脉个体化三维模型;利用计算流体力学方法对该模型进行数值模拟计算。结果精确仿真下腔静脉三维流体模型,在功能上该模型成功演示了布-加综合征患者下腔静脉血流动力学环境变化过程。病变区域上方有涡流产生;冠状面模拟显示狭窄处血流流速急升高;在狭窄端入口处至最狭窄处静压值逐渐下降,至狭窄处出口处最低;狭窄处的壁面切应力值达到最大。结论该特征性三维血流动力学模型能真实的进行体外模拟布-加综合征的血流动力学特征,血流动力学参量分析结果符合临床实际,有助于进一步研究下腔静脉血管形态病变与复杂血流动力学参数之间的相关性。

基于加压酸浸锰烟尘过程中固-液两相流体力学特性CFD模拟

将欧拉-欧拉(E-E)双流体模型、颗粒动力学理论(KTGF)与k-ε湍流模型耦合,以搅拌速度、固相体积分数为变量探究对釜体内液相速率、液相湍流动能的影响.结果表明:釜体内的液相速率、湍流动能与搅拌速度成正相关,且与固相体积分数的大小成负相关.当固体体积分数为2.5%、7%、13%,对应液相速度下降幅度为8%,16.2%,18.4%,对应湍动能下降幅度为7.6%,13.2%,20.6%.

离散元与光滑颗粒流体力学耦合方法及应用

磨机尺度极大,采用常规物理相似模拟和物料平衡模型适用性的方法,无法对磨机出料端排矿的动态过程进行观测和开展定量化表征,本文通过耦合离散元方法和光滑粒子流体动力学方法实现基于动态自由面的固液两相流仿真,并应用于量化对比不同磨机衬板机械结构对其排矿效率的影响.通过开展流变仪试验及仿真,确定了反映选定矿浆的流变特性参数及对应数值模拟参数.选取直型及弧型出料端衬板设计,基于所开发的数值模拟进行磨机排矿量及矿浆提升器回流量的量化表征.数值模拟结果表明,弧型出料端衬板的排矿量提升了13.4%,且矿浆提升器回流量降低了93.3%,现场工业试验结果与数值结果误差较小,验证了所开发的数值模拟模型的准确性.

越沙步行轮仿生设计及动力学性能仿真

为提高车轮在沙土介质环境的通过性能,基于鸵鸟足趾结构形貌与运动方式,设计出一种仿生越沙步行轮。该步行轮通过轮脚中的定立柱和动滑块相互配合实现对轮下沙土的限流紧固功能,同时自适应带动轮刺机构进入附着牵引工作状态与离沙减扰非工作状态。采用多刚体动力学分析软件,预测了仿生越沙步行轮轮腿各部件之间的活动范围和干涉情况。采用离散元软件,分析了轮脚底面/沙土相互作用关系,验证了该仿生越沙步行轮具有良好的固沙限流、牵引附着性的特点。该研究为提高松软地面中步行机构的通过性能提供了参考。

自适应有限元-离散元算法、ELFEN软件及页岩体积压裂应用

该文介绍流体-固体-断裂耦合分析的自适应有限元(FE)-离散元(DE)算法,引进一款新近基于该方法研发的数值计算软件ELFEN,并将其应用于页岩分段体积压裂的三维数值计算和机理分析。该方法引入有限元应力恢复的超收敛拼片恢复(SPR)法,获得应力的超收敛SPR解,利用SPR解估计常规有限元解的误差,通过裂纹尖端局部区域的自适应网格重划分获得高精度应力解答并得以有效描述裂纹动态扩展,形成分析策略和求解方案。数值算例表明该算法和软件分析流体-固体-断裂耦合作用下单一、多水平井分段体积压裂的可靠性、有效性和实用性。

KVLCC2船-舵系统斜航水动力数值计算

通过求解RANS方程,选取RNGk-ε湍流模型,在模型尺度下对KVLCC2船-舵系统处于不同漂角时的斜航黏性流场进行数值模拟.首先采用3套网格进行网格收敛性分析,然后通过计算结果与试验数据比较,验证数值计算方法的可靠性.在此基础上,计算了舵角为零时不同漂角下以及不同舵角、不同漂角下作用在船-舵系统上的横向力和转首力矩,并对计算结果进行了分析.