甘蔗收获机多路阀阀芯的温升及热变形仿真分析

多路阀是甘蔗收获机械液压系统的核心元件,用于控制多个工作装置的协同作业。针对其阀口压差变化大,节流温升明显,易造成阀芯变形卡滞的问题,对多路阀阀芯进行了流固热耦合仿真研究。利用Design Model软件抽取对应流道,并建立不同开度的多路阀流场仿真模型,导入ANSYS Workbench平台进行不同工况下的流固热耦合仿真,分析对比了双U形和三角形节流槽在不同开度、不同进出口压差工况下,多路阀内部流场的流体速度、阀芯温度及变形的情况。结果表明:双U形、三角形节流槽阀芯最高温度始终在节流槽处;随着阀进出口压差增加,油液的最大流速以及两种节流槽型阀芯的最高温度和最大形变量增大,但三角节流槽型阀芯变形相对较小;随着阀口开度的增加,三角节流槽型阀芯温度及最大形变量均小于双U形节流槽阀芯;三角节流槽型阀芯的最大形变量较双U节流槽型阀芯小25.1%。为农业机械多路阀阀芯节流槽设计提供了理论依据。

多元热流体不同组成介质耦合作用机理微观实验

多元热流体吞吐是蒸汽吞吐的重要接替方式之一,而现有的研究尚不能清晰解释不同介质之间的耦合作用机理,难以为海上多元热流体开发提供有效措施。利用微观可视化模拟系统,通过非凝析气(CO_(2)、N_(2))和热水的不同组合驱油实验,研究微观条件下多相流动特点,揭示热水、CO_(2)和N_(2)三者之间两两相互影响的耦合作用机理,并定量分析耦合作用机理对波及系数、洗油效率和采收率的影响。研究结果表明:热水与N_(2)相互协同,提高波及系数,在驱替中期,热水加热稠油,降低流动阻力,N_(2)气泡变形膨胀,补充压力,在驱替后期,在主流道形成贾敏效应,驱替范围从主流道向边缘扩展;热水与CO_(2)相互协同,提高洗油效率,热水冲刷CO_(2)驱替过后的膜状剩余油,同时二者降低油气表面张力,将油气段塞式流动变为念珠式流动,消除附加表面张力,动用簇状剩余油,增大体系毛管数;CO_(2)和N_(2)之间相互竞争,N_(2)与CO_(2)分压,阻碍CO_(2)溶解,CO_(2)和N_(2)混合后,补能作用减弱;三种介质耦合作用时,采收率整体提高29%,协同作用效果比竞争作用效果更为显著。利用微观实验厘清多元热流体两两介质之间的耦合作用机理,为后期多元热流体开发稠油油藏提供理论指导。

多元热流体发生器不同燃料燃烧工况优化

对稠油多元热流体发生器典型燃烧组分进行分析是注入能力评价、采收率预测、多次吞吐优化的关键。研究利用Fluent软件对多元热流体发生器进行三维仿真建模,模拟发生器不同工况下温度场和流场的分布。结果表明,不同的多元热流体发生器需要根据不同的燃料设计相应的燃料喷嘴,以促进燃料充分燃烧,提高热效率。当柴油作为燃料时,燃油喷嘴需要与空气喷嘴相匹配,以加强其雾化效果。天然气是多元热流体发生器的首选燃料,但在燃料供应条件有限的情况下,液态柴油和气相天然气可以相互替代,作为燃料在同一发生器中使用。当煤粉作为燃料时,即使有过量氧气,也难以充分燃烧。但是,在综合考虑成本或缺乏其他燃料时,可通过优化燃料喷嘴设计,最终实现煤粉在多元热流体发生器中的高效燃烧。

多元热流体开发效果模拟及影响因素关联分析

多元热流体在稠油开发中得到了广泛的应用,但是由于其增油机理较为复杂,因此对其注入参数进行合理设计较为困难。利用数值模拟技术分析了多元热流体开发与蒸汽吞吐的作用效果差异,印证多元热流体增油机理的同时,研究了不同注入温度、注入速率以及焖井时间条件下多元热流体对开发效果的影响。结果表明,这些注入参数存在一个最佳的数值范围。进一步结合现场多元热流体应用井的实际生产数据对其开发效果的主控因素进行分析,得到注入强度、注入速度和注入温度是影响多元热流体开发效果的主要因素。研究结果为多元热流体开发工艺参数设计提供了指导。

多元热流体开发稠油出砂机理及规律

以多元热流体吞吐开发为主要研究对象,结合多元热流体开发稠油时的储层特征,进行多元热流体岩心驱替地层模拟实验、空化水射流破岩实验等,发现多元热流体高温组分的溶蚀作用、气泡的空化作用、降黏作用以及多元热流体的组分变化都会导致储层出砂。进一步通过多组分多元热流体吞吐出砂模拟实验,发现焖井时间是影响出砂的主要因素。针对吞吐开发时的多轮次特点,进行了多轮次出砂模拟实验,随着吞吐轮次的变化,各因素对出砂的影响愈趋明显,即温度影响程度最强,注入速度次之,压力最弱。研究有利于指导精细化防砂,设定合理的生产开采制度,对延长油气井寿命和提升经济效益具有十分重要的作用。

多元热流体吞吐开发稠油乳状液稳定性机理

稠油在全球能源格局中占据重要地位,在满足全球不断增长的能源需求方面发挥着重要作用。多元热流体(超临界蒸气、CO_(2)和N_(2))吞吐开发技术能够克服传统蒸气驱能耗高、热利用率低、效果差的问题,已成为提高稠油采收率的前景技术。然而,稠油中的表面活性物质及多元热流体的复杂组分会导致多元热流体吞吐过程中形成稳定且复杂的乳状液,为后续稠油破乳工作带来了巨大挑战。首先通过分析稠油族组分含量、沥青质微观形貌及官能团特性,明确了稠油基本物性。随后,基于含水率、乳状液粒径尺寸分布等参数,探讨了多元热流体吞吐开发稠油乳状液稳定性,并利用扫描电镜和红外光谱技术揭示了乳状液稳定性机制。最终,研究了聚醚型破乳剂对稠油乳状液的脱水效果。为针对多元热流体吞吐技术的高效破乳剂研发提供了理论指导。

电-热-流多物理场耦合作用下脐带缆温度场及载流量计算研究

脐带缆被誉为连接水下生产系统和上部设施的“神经生命线”,准确分析其温度场分布和载流量是安全开展海洋油气勘探和开采任务的关键保障。不同于传统海缆,脐带缆因结构复杂、功能多样,在位运行时存在复杂的电-热-流多物理场耦合效应,传统解析法难以确定其温度场分布和载流量。本文基于有限元软件Comsol建立脐带缆电-热-流多物理场耦合截面精细模型,通过控制变量法研究3种典型敷设方式、环境等因素对导体温度和稳态载流量的影响。结果表明:当电流较小时,影响脐带缆截面温度和稳态载流量的主导因素是管中液体温度;导体温度的变化趋势能够反映稳态载流量的变化情况;直埋时,埋设深度与外界流体温度的增加皆会削弱脐带缆的散热能力;平铺时,海水流动会明显降低脐带缆温度,在低流速下,流速增加对脐带缆的降温效果十分显著,但高流速的海水会在紧贴脐带缆的表面形成具有温度梯度的边界层,使热量的传递受到限制,降温效果反而不明显;绝缘老化对脐带缆整体温度分布的影响较小,但会影响截面最高温度。

琼东南盆地Ⅱ号断裂带新生界多期热流体活动与天然气运聚特征

运用流体包裹体、有机地球化学分析和压力模拟手段,综合研究了琼东南盆地东部Ⅱ号断裂带新生界多期热流体活动及天然气运聚特征。研究结果表明:(1)琼东南盆地东部Ⅱ号断裂带BX19-2构造天然气主要为烃气和CO_(2),烃气为煤型气和油型气的混合气,但不同气层中天然气组分含量差异较大,浅部三亚组气层为相对高含量的烃气(体积分数为83.93%)和低含量的有机成因CO_(2)(体积分数为7.11%);较深部的陵水组气层为含量相对较低的烃气(体积分数为16.10%~76.63%)和含量相对较高的幔源CO_(2)(体积分数为18.70%~81.56%)。(2)流体包裹体和岩石地球化学参数显示烃气运移与3期热流体活动相关,每期热流体的活动深度及引起的热异常程度均存在一定差异。3期含烃热流体活动的时间分别为中新世晚期(约8.8 Ma)、上新世(约4.5~4.1 Ma)和第四纪(约1.1~0.1 Ma)。(3)热流体是以断裂为主要通道发生垂向高效快速充注。来自宝岛凹陷深部的幔源CO_(2)在上新世晚期—第四纪(约2.2~0.5 Ma)发生充注,并驱替了陵水组储层的烃气。因此,宝岛凹陷Ⅱ号断裂带附近的圈闭可能具有钻遇高CO_(2)含量的风险。

井下热力发生器燃烧仿真模拟

井下热力发生技术原理为将热力发生设备集成后置于井下,向井下输送空气、燃料和水,基于高压燃烧喷射机理,燃料与空气在燃烧室中充分燃烧,依靠产生的高温高压烟气将混合掺入的水汽化,产生复合热流体注入地层。因井筒尺寸受限,相比地面多元热流体发生器,井下热力发生器需在外径缩小1倍的情况下,输出排量提升4倍。结构变化后,主要面临燃烧是否充分、换热是否有效、输出温度和排量是否满足设计要求等问题,针对以上问题,本文建立了井下热力发生器流动与传热仿真模型,得到发生器工作时的温度场和流场分布,结果表明,发生器内部燃烧较为充分,最高烟气温度约1600 K,出口烟气温度约1300 K,出水温度370 K,即水温升高近80 K,但随水流量的增大,出口烟气温度有所降低,且当水流量过大,如43.4 t/h时,烟气最高温度、出口烟气温度反而升高,内衬最高温度也略有升高,出水温度降低,出现了冷却性能下降的工作状况。

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。

超临界多元热流体发生及地下原位转化开采重质油理论与技术

稠油和低成熟页岩等重质油资源潜力巨大,但其低流动性和高干酪根含量导致难以高效开采,针对现有注蒸汽等方法存在采收率低、加热效率差和热流体成本高等问题,提出了以超临界水热化学转化为核心的重质油原位转化开采新思路,基于超临界水独有的高溶解性、高扩散性和高反应性,采用油田有机废液为原料通过超临界水气化与氢氧化原理生产超临界多元热流体,并将超临界多元热流体注入地层加热储层、同时原位转化稠油和干酪根生成轻质油气,通过超临界混相驱大幅提高采收率,从而实现了高效、清洁、低成本的热流体生成、储层加热转化与油气高效采出。研究结果表明,油田有机废液碳转化率超98%,稠油岩心驱替效率超97%,单井4轮次吞吐效率超75%,低成熟页岩有机质生烃制油气有机碳转化率达60%。该技术的突破可对变革传统重质油开发方式、保障我国油气能源安全提供参考。

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。

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.

油井管用N80钢和13Cr钢在多元热流体环境中的腐蚀行为

采用高温高压反应釜进行模拟腐蚀试验,探究了油井管材料N80钢和13Cr钢在不同温度和O_(2)分压下多元热流体环境中的腐蚀行为;通过失重法评价了材料的腐蚀速率,并结合激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)等测试方法,分析了两种材料腐蚀速率及腐蚀产物的变化规律。结果表明:当温度超过180℃时,两种材料的腐蚀速率均随温度的升高而增大,腐蚀产物中有Fe_(3)O_(4)生成;而随着O_(2)分压的升高,腐蚀产物逐渐由FeCO_(3)转变为Fe_(3)O_(4),两种材料的腐蚀速率均增大;当O_(2)分压达到0.2 MPa以上时,腐蚀产物全部转变为Fe_(3)O_(4),均匀腐蚀和局部腐蚀加重。

注多元热流体环境中N80碳钢油管的腐蚀行为

利用井下挂环的方法评估注多元热流体井筒油管的腐蚀行为。通过失重法、扫描电子显微镜、能谱分析仪、蚀坑3D形貌分析等方法研究了不同井身位置挂环的腐蚀速率和腐蚀产物膜特征。结果表明:随着井身深度增大,油管内环和外环的腐蚀速率均显著增大;由于油管内部和外部接触的腐蚀介质有所差异,内环的腐蚀速率远高于外环,但随着井身深度增大内环/外环腐蚀速率比逐渐减小;挂环腐蚀产物均由大量铁的氧化物和少量碳酸亚铁组成,呈多层结构,外环腐蚀产物的层状结构相比内环腐蚀产物更加复杂;在井身中上部,腐蚀主要受高温多元气相流体的氧化反应主导,而在井身下部主要由高温CO_(2)-O_(2)溶液的电化学腐蚀主导。

海上油田多元热流体吞吐气窜调剖实验研究及应用

目的多元热流体吞吐技术是海上稠油开发的一种经济、有效的技术,但随着吞吐轮次的增加,暴露出易发生“气窜”的问题,即N_(2)、CO_(2)等非凝析气体容易突破到周边生产井,导致其电泵气锁关井影响生产。方法以渤海NB稠油油田为研究对象,采用可视化实验方法,研究防止气窜的治理策略。结果筛选出适合油田的磺酸基泡沫调堵体系,命名为QGQ-4,优化研究出最佳注入参数为质量分数0.4%、泡沫干度在60%以上、地面预制泡沫注入方式。与单纯多元热流体驱相比,泡沫辅助多元热流体驱可提高油藏波及,有效封堵气窜通道,提高平面波及系数37%。结论研究成果现场应用后,受益井初期高峰日产油增加到措施前的1.5倍,日产油由措施前的50.5 m^(3)增至措施后的高峰日产油75.7 m^(3),取得了较好的增产效果。

基于遗传算法圆周密封结构多目标优化

针对航空发动机密封性能的提升需求,基于圆周密封工况分析,建立了以泄漏量最小、密封环最大温升和最大变形最小为优化目标,以主、辅助密封带宽度,搭接头角度和长度及卸荷槽宽度为设计变量的多目标优化模型。采用拉丁超立方抽样方法得到了代表性样本库,通过热流固耦合分析确定对应目标函数值。利用RBF神经网络建立了高拟合精度的设计变量与目标函数映射关系代理模型,并结合第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II),得到了考虑目标函数重要度的一组最优解。结果表明:与优化前相比,圆周密封泄漏量降低了17.69%,最大温升降低了11.88%,最大变形降低了38.10%,最大应力降低了31.02%。

普通稠油油藏多元热流体驱提高采收率实验研究

为了提高普通稠油热采效果,采用天然岩心填砂管模型,在室内开展蒸汽驱、CO_(2)+N_(2)驱、蒸汽+CO_(2)驱、蒸汽+N_(2)驱、蒸汽+CO_(2)+N_(2)驱实验研究。结果表明:在常规水驱至含水90%后,蒸汽+CO_(2)+N_(2)驱出口剩余温度最高,达到88℃,蒸汽驱剩余温度最低,仅为54℃;蒸汽+CO_(2)+N_(2)驱、蒸汽+N_(2)驱的地层压力保持水平最高,分别为80.3%、78.4%;N_(2)+CO_(2)驱的气油比上升最快,在注入量为2.5 PV时达到2000 m^(3)/m^(3),蒸汽驱的气油比上升最慢,在注入量达到4.52 PV时达到2000 m^(3)/m^(3);蒸汽+CO_(2)+N_(2)驱的驱油效果最好,采收率达到68.31%,比常规水驱高29.76%,而CO_(2)+N_(2)驱最低,仅比常规水驱高7.09%。

基于响应面法的分级注水泥器结构优化

分级注水泥器在实际使用过程中结构刚度不能完全达到固井需求,经常由于结构变形造成循环孔打开或关闭失败。为此,采用响应面优化方法对分级注水泥器本体和滑套的5个关键尺寸参数进行改进,以达到提高结构刚度的目的。优化结果表明:采用拉丁超立方试验设计法的计算结果拟合出滑套最大变形量与质量,本体总变形、径向变形及质量的响应曲面;根据拟合的响应面,通过多目标遗传算法预测出滑套和本体设计变量的最优参数组合,并进一步构建了相应的优化模型;通过对滑套及本体进行热流固耦合分析可得,优化后滑套最大变形量减少了47.3%,本体最大总变形量减少了32.0%,本体最大径向变形量减少了62.7%。所得结论可为分级注水泥器设计提供理论参考。

电力变压器磁-流-热双向耦合研究

为提高油浸式电力变压器内部温度场仿真计算的准确度,考虑温度对变压器绕组、拉板、夹件以及变压器油物理参数的影响,对其内部电磁场、温度场及流体场的控制方程和耦合关系进行研究。电磁场部分基于有限元法计算,温度场与流体场采用有限体积法进行直接耦合求解。通过热源加载和反馈,实现三场之间的耦合。针对一台额定容量为241 MV·A的单相压轭变压器,采用Maxwell软件,基于场路耦合法对额定运行状态下的电磁场和各结构的损耗分布进行了仿真。将这一损耗作为热源加载到热流分析软件Icepak中,并将仿真出的温度反馈回电磁场中重新计算损耗,实现磁-流-热双向耦合的迭代过程。结果表明:建立的仿真模型能充分考虑三场间耦合关系,提高了计算结果的准确性,能够为变压器的设计和工程应用提供一定的参考。