铜闪速熔炼多相流模型化研究进展

铜闪速熔炼具有高处理量、高富氧浓度、高冶炼效率和低环境污染的优势,已在世界范围内广泛推广应用,深入研究闪速熔炼过程中的物理化学现象和原理具有重要意义。然而,闪速炉内多相流间相互作用及熔炼动力学行为受到多方面因素的共同影响,仅依靠生产经验、试验观测和理论分析难以全面解析炉内多相流传质传热过程、获取流体流动特性、揭示气固多相流相互作用规律,阻碍了闪速炉冶炼效能的进一步提升。当下计算流体力学数值模拟发展迅速,正为预测和分析闪速炉内多相流问题提供了高效、准确、直观的帮助。本文在介绍铜闪速炉结构、冶炼原理、理论模型的基础上,阐述了近年来铜闪速熔炼动力学反应机理、炉内流动特性方面模型化的研究成果及发展趋势,全面综述了铜闪速炉在喷嘴、沉淀池、上升烟道、锅炉优化方面的研究成果,为闪速炉生产优化及设计改进提供指导。

气固鼓泡床结构双流体传热模型及其模拟验证

介尺度结构显著影响非均匀气固复杂系统内的流动传递反应特性。构建了结构双流体传热模型用于模拟复杂气固系统内的流动传热过程,按照流动控制机制将鼓泡床系统划分成由气体主导的气泡相和颗粒主导的乳化相两个相互渗透的连续流体,进而确立考虑介尺度结构影响的控制方程及本构关系,其中相间曳力、乳化相黏度、相间传热系数及各相热导率均采用合理的经验关联式进行封闭。利用双流体传热模型与显式解析壁面流动和传热边界层方法相结合,对安装加热管的鼓泡床系统进行了模拟。结果表明:结构双流体传热模型可成功预测鼓泡床系统内固含率的轴向分布及床层壁面传热系数的变化规律;模拟结果与实验数据吻合较好,密相区壁面传热系数模拟值与实验值的相对误差小于10%,稀相区壁面传热系数的模拟值与实验值在同一量级,表明结构双流体传热模型可准确刻画鼓泡床系统内气固两相的流动传热特性。

基于多相流超图神经网络的烧结矿质量预报评价系统

“双碳”背景下,钢铁作为能耗重点行业,配矿结构亟待优化。为顺应时代洪流,本项目提出基于多相流超图神经网络的烧结矿质量预报评价系统。首先,收集烧结矿混合料化学成分、内返率等指标值。其次,使用超图学习文本数据。最后,建立烧结矿质量预报评价系统。该系统可应用于优化配矿,使烧结原料具有良好的制粒性能和成矿性能,实现高产、优质、低耗烧结生产。

多相流简化模型在搅拌流场数值模拟中的研究与应用

针对敞口自由液面搅拌槽多相流场的数值模拟问题,以气液两相流耦合固相干涉沉降运动分析的方法对三相流模型进行合理简化,建立了气-液-固三相敞口双叶轮搅拌槽的简化模型。基于简化模型,完成了搅拌槽流场特性分析以及扰流挡板等变量对流场的影响研究,给出优化配置方案,并通过某核电站用杂质试验装置试验,验证简化模型的工程可行性。结果表明,该简化模型在仅关注流场宏观时具有工程可信精度。

多相流全瞬态温度压力场耦合模型求解及分析

为准确掌握高温高压条件下环空多相流的流动特性,基于井筒多相流、传热学理论,充分考虑循环流体物性参数随温度压力的变化,建立了适用于深井、超深井的井筒多相流全瞬态温度压力场耦合模型,并提出了迭代求解算法,以塔里木油田某深井为例分析了井筒瞬态温度、压力耦合变化规律。结果表明:循环8h后井底钻井液的密度由1 360kg/m3升至1 460kg/m3,塑性黏度由8.6mPa·s升至13.8mPa·s;开始循环时井底压力迅速降低,循环0.2h时降至最低,然后逐渐升高,最后趋于稳定;井底钻井液的密度和塑性黏度随循环时间增长而增大;气侵量对井底压力的影响最大,钻井液地面密度、排量、井口回压次之,钻井液地面塑性黏度的影响最小。分析结果可为深井、超深井水力参数设计提供理论指导。

欠平衡钻井多相流模型评价分析

为了给欠平衡钻井工程设计提供切实可行的井底压力预测模型,比较了利用均匀流动方法(Guo Boyun模型)、经验公式方法(Beggs-Brill模型、Orkiszewski模型、韩洪升和陈家琅模型)以及力学方法(Hasan-Kabir模型和修正的Ansari模型)建立的三类欠平衡钻井稳定流动模型。利用FORTRAN90分别对6个模型进行了编程求解,模拟了欠平衡钻井过程的环空气液两相流动规律,预测了充气液欠平衡钻井的井底压力。并把模型预测结果和现场施工数据以及全尺寸试验井试验数据进行了验证,分别指出了6个模型的预测精度。验证结果表明用力学方法建立的修正的Ansari模型的预测精度较高,可以满足欠平衡钻井井底压力设计的工程精度要求。推荐在欠平衡钻井工程设计中使用该方法,保证全过程的欠平衡钻井,实现欠平衡钻井的经济效益。

欠平衡钻井环空多相流井底压力计算模型

随着欠平衡钻井技术的发展,对井底负压值精确控制的要求越来越高,目前已经开发了随钻井底压力测量仪器。对井底压力的大小实测发现,原有的气液两相流井底负压控制计算模型的计算误差较大,达到13%。为此,在H.V.Nickens所建立的钻井过程气侵时的两相流模型基础上,建立了直井环空多相流井底压力流动型态新的计算模型。该模型充分考虑了岩屑固相和多相加速度压降的影响,精度较高,利用深层欠平衡钻井实测数据,计算表明误差小于3%,为欠平衡设计计算与精确控制井底负压值提供了理论依据。

泡沫排液采气井筒多相流机理模型

基于基本物理原理建立了适用于多种流型的泡排井多相流机理模型。首先,基于Mitchell和Taitel的实验成果,将泡排井流型分为泡状流、段塞流、均质泡沫流和雾状流,建立了流型转换机理模型;随后,建立了各流型的压降计算方法,其中泡状流、段塞流采用漂移模型描述,将均质泡沫流视为幂律流体处理,而雾状流简化为无滑脱模型处理。和川南、鄂尔多斯39口包含多种流型的泡排井测压数据对比,模型的相对误差仅为–0.55%。敏感性分析表明,低气液比泡排井可能呈现泡状流或段塞流,适度注气可实现流型向泡沫流的转变,提高举升效率。

石油污染物在地下环境系统中运移的多相流数值模型

在综合考虑有石油污染物在地下环境体系中扩散、吸附解吸、界面间分配以及微生物降解等作用下, 建立了有机污染物在多孔介质迁移转化的多相流动力学模型, 并采用特征有限差分方法和隐式压力显式饱和度方法对耦合模型进行数值离散, 编制了相应的计算程序; 利用该程序对石油污染物在地下环境系统中运移机制进行定量化研究. 研究结果表明: 石油污染物在地表泄漏以后, 将在重力和毛细力的作用下, 产生水平位移和垂直位移. 当污染物迁移到地下毛细管区后, 其向下的运动将整体受到毛细张力的阻碍, 污染物要想进入毛细饱和带必须克服油水界面的进气压力, 这时污染物在毛细饱和带顶部聚集以期获取压力, 同时将产生以水平方向为主的迁移, 最终随着污染物的压力超过其进气压力, 导致污染物进入毛细饱和带, 在地下水水位上形成一个透镜体. 数值模拟曲线与实验测试曲线吻合较好, 验证了模型的可靠性. 这为定量化研究石油污染物在地下环境系统中分配与归宿及污染预测、预报提供了理论依据.

LPG埋地储罐泄漏渗流扩散多相混合数值模型及模拟(Ⅰ) 模型建立

在混合模型理论基础上,建立LPG(liquefied petroleum gas)在非饱和砂土中渗流扩散的传热、传质模型,研究LPG埋地储罐在砂土介质中发生泄漏时LPG渗流扩散的物理过程。该模型综合考虑了LPG泄漏相态、重力、黏滞力、毛细压力、扩散、非达西效应、气液相之间相互作用等影响因素的作用;在Forchheimer方程基础上,推导出多相混合流的非达西流动方程,并根据LPG实际渗流过程中流动状态的变化,将多相流非达西系数根据Reynolds数变化进行相应的改变,实现对多相流体从非达西流动向达西流动的转变现象的描述,能够模拟多种流动状态变化,扩展了模型的适用范围;根据LPG不溶于水的特性,简化了组分方程,推导出LPG体积浓度计算式。该模型能描述LPG埋地储罐泄漏后在砂土中流动趋势和对周围造成的影响,为埋地储罐场地选取、周边区域规划和事故预防、预测、应急提供依据。

井筒环空稳态多相流水动力学模型

基于井筒环空气液两相流流型的分类及特点,建立适合于直井、斜井的井筒环空段塞流、环状流水动力学模型及环空流型过渡准则。基于井筒环空多相流特性,以液膜区域为控制单元,考虑油管膜、套管膜双层液膜的存在及气芯中液滴对质量、动量传递的影响,推导了环空段塞流、环状流质量、动量守恒方程,得到了段塞流与分散泡状流、泡状流及环状流间的流型过渡准则。根据已发表文献中的实验条件,采用本文模型与校正后的圆管模型预测了不同气、液相表观速度下的流型、持液率及压力梯度。结果表明:采用本文模型可以比较准确地预测环空流型、持液率及压降梯度,且预测持液率、压力梯度的准确性优于校正后的圆管模型。

DNAPLs污染含水层多相流数值模拟模型的替代模型

针对表面活性剂强化的重非水相流体(DNAPLs)污染的含水层修复问题,在建立多相流数值模拟模型的基础上,应用拉丁超立方采样(LHS)方法,在多相流模拟模型可控输入变量的可行域内采样,有效提高了采样效率和覆盖程度。根据采集的样品数据集,运用多元回归分析方法建立多相流模拟模型的替代模型——双响应面模型,为DNAPLs污染含水层修复过程的优化设计的耦合技术探索新的理论和方法。经检验,替代模型计算结果的相对误差均小于10%,精度较高,说明其在功能上充分逼近模拟模型。运用替代模型实现模拟模型与优化模型的连接,可以大幅度减少优化模型计算过程中直接多次反复调用模拟模型所引起的庞大计算负荷。

多相流和湍流模型对平板膜生物反应器模拟的影响

相分布和速度场是浸没式MBR的流体力学特征的核心,这些特征能够通过CFD的多相流模型和湍流模型低成本、高精度地分析。因此,针对浸没式MBR优化结构、缓解膜污染和降低能耗的需求,以MBR流场的快速准确模拟为目标,以国内外3家主要商用浸没式平板MBR为对象,比较了不同多相流、湍流模型对浸没式平板MBR流场、相分布和计算成本的影响,并进行了模拟验证。结果表明,3家国内外浸没式平板MBR的空间构型多根据厂家推荐值设计,其长宽比为1.37±0.63,高径比为0.97±0.23。商用平板MBR的模拟与验证结果表明:①多相流模型对相分布、流场和速度分布的影响比湍流模型更显著,且VOF模型与standard k-ε的模型组合可更为快速准确地模拟浸没式平板MBR的流场特征;②多相流模型选择是计算成本至关重要的影响因素。6核计算时,VOF模型的CPU时间为mixture模型的5.5~3.2倍,realizable k-ε的CPU时间为standard k-ε的1.0~1.1倍。

中原油田集输管线多相流腐蚀预测模型

介绍了在多相流条件下如何对油田集输管线介质进行腐蚀因素研究和数学模型建立,并研究了集输管线介质流速、含氧、pH值、矿化度、温度、CO2分压、含水等共7个因素对20#管材的腐蚀影响趋势。文章研究内容采用的多相流腐蚀评价装置获国家专利,其设计思路和评价方法对相关领域的研究具有较好的指导借鉴作用。

油田集输管道介质多相流腐蚀数学模型研究

建立了多相流条件下油田集输管道介质腐蚀因素研究的数学模型。结合现场情况,研究了集输管道介质流速、含氧量、pH值、矿化度、温度、二氧化碳分压、含水率7个因素对20号管材的腐蚀影响趋势,指出在集输管道中介质的流速、含氧量、细菌变化范围较大,是造成集输管道局部腐蚀的主要原因,低pH值和高矿化度的环境也加速了管道的腐蚀进程。

空气搅拌式种分槽内多相流数学模型的实验验证(英文)

为了验证空气搅拌式种分槽流场数学模型的可靠性,设计了空气搅拌式种分槽的模型实验台架,实验台架按照原始比例进行缩小。采用有色示踪剂与KCl示踪剂来研究种分槽内的流体流动过程。在种分槽流场的数学模型中增加虚拟示踪剂模块,建立虚拟示踪剂跟踪计算的算法。对实验结果与数值计算结果进行了比较。结果表明:示踪剂进入种分槽后从翻料管流出的时间实验结果为40s,数值计算结果为42s;数值计算所得有色示踪剂在种分槽内的扩散过程与停留时间分布与实验结果吻合良好。实验结果表明:空气搅拌式种分槽的数学模型是可靠的,可以用于预测分析种分槽内流体流动状况。

多相流相分率的模型预测与检测方法

在多相流工艺计算中 ,相分率是多相流中一个非常重要的参数。准确预测和测量相分率 ,对于多相混输管道的流量测量、工艺计算和优化运行具有重要意义。

粉末注射成形多相流动过程数值模拟模型

把计算流体动力学的多相流概念及两相流模型引入到粉末注射成形领域,介绍了描述粉末-粘结剂充模流动过程的单流体模型、双流体模型及欧拉-拉格朗日模型,并简要分析了各种模型的特点.分析表明,双流体模型相对于单流体模型更有利于监视两相分离、粉末聚集等出现在粉末注射成形过程中的特殊现象,并且比欧拉-拉格朗日模型更容易收敛.

油田集输管线介质多相流腐蚀数学模型研究

讨论了在多相流条件下如何对油田集输管线介质进行腐蚀因素研究并建立数学模型,研究了集输管线介质流速、含氧量、pH值、矿化度、温度、二氧化碳分压、含水共7个因素对20#管材的腐蚀影响趋势。该研究内容采用的多相流腐蚀评价装置已获国家专利,其设计思路和评价方法对相关领域的研究具有很好的指导作用。

多相流振荡传热湍流数值模型的比较研究

为确定准确描述多相流振荡传热过程的湍流数值模型,分别采用Realizableκ-ε模型和SSTκ-ω模型对多相流振荡传热的流动过程进行了仿真分析,对其传热效果进行了预测,并与多组试验结果进行比对。结果表明:无论是针对闭式空腔振荡传热还是开式内冷油腔振荡传热,采用SSTκ-ω模型都可以更为准确地模拟多相流振荡运动规律,传热系数计算值与试验结果保持了较高的一致性。对于开式内冷油腔振荡传热计算,随着雷诺数增大,传热系数计算值的误差开始增大,说明SSTκ-ω模型在低雷诺数条件下准确性更高。