The axisymmetric long-wave interfacial stability of core-annular flow of power-law fluid with surfactant

The long wave stability of core-annular flow of power-law fluids with an axial pressure gradient is investigated at low Reynolds number. The interface between the two fluids is populated with an insoluble surfactant. The analytic solution for the growth rate of perturbation is obtained with long wave approximation. We are mainly concerned with the effects of shear-thinning/thickening property and interfacial surfactant on the flow stability. The results show that the influence of shear-thinning/thickening property accounts to the change of the capillary number. For a clean interface, the shear-thinning property enhances the capillary instability when the interface is close to the pipe wall. The converse is true when the interface is close to the pipe centerline. For shear-thickening fluids, the situation is reversed. When the interface is close to the pipe centerline, the capillary instability can be restrained due to the influence of surfactant. A parameter set can be found under which the flow is linearly stable.

环形燃料混合堆芯横向流动特性数值模拟研究

环形燃料混合堆芯横向流动特性对原堆芯的热工安全具有重要影响。本文基于计算流体力学(CFD)方法建立了3×3环形燃料混合堆芯,通过计算混合堆芯的速度场、局部阻力特性与各组件的出入口流量守恒性,对环形燃料与原堆芯燃料之间的横向流动进行了评价。结果表明,当环形燃料与原堆芯燃料轴向各处阻力一致时,原堆芯燃料出入口冷却剂流量相对偏差小于0.8%,环形燃料出入口冷却剂流量相对偏差小于1.8%,混合堆芯各格架段无显著横向流动。

Stability of core-annular flow of power-law fluids in the presence of interfacial surfactant

The shear-thinning influence on the core-annular flow stability of two immiscible power-law fluids is considered by making a linear stability analysis.The flow is driven by an axial pressure gradient in a straight pipe with the interface between the two fluids occupied by an insoluble surfactant.Given the basic flow for this core-annular arrangement,the analytical solution is obtained with respect to the power-law fluid model.The linearized equations for the evolution of infinitesimal disturbances are derived and the stability problem is formulated as a generalized matrix eigenvalue problem,which is solved by using the software package Matlab based on the QZ algorithm.The shear-thinning property is found to have marked influence on the power-law fluid core-annular flow stability,which is reflected in various aspects.First,the capillary instability is magnified by the shear-thinning property,which may lead to an essential difference between power-law and Newtonian fluid flows.Especially when the interface is close to the pipe wall,the power-law fluid flow may be unstable while the Newtonian fluid flow is stable.Second,under disturbances to the interface a velocity discontinuity at the interface appears which is destabilizing to the flow.The magnitude of this velocity discontinuity is affected by the power-law index and the flow stability is influenced correspondingly.Besides,the shear-thinning property may induce new stability modes which do not appear in the Newtonian fluid flow.The flow stability shows much dependence on the interface location,the role of which was neglected in most previous studies.The shear-thinning fluid flow is more unstable to long wave disturbances when the interface is close to the pipe wall,while the Newtonian fluid flow is more unstable when the interface is close to the pipe centerline.But this trend is changed by the addition of interfacial surfactant,for which the power-law fluid flow is more stable no matter where the interface is located.

环状流在球阀开启过程的变化状况研究

环状流在阀门中流动结构变化研究对石油水环运输稳定性具有重要意义.采用VOF模型与CSF模型进行油水环状流在球阀内的流动模拟,并进行了实验验证,模拟结果与实验结果一致.比较不同阀门开度对后续管道中环状流油水体积分数的影响,结果表明,球阀的开度越小,阀后管道内油相容易被高速水流切割成小颗粒,不利于后续石油运输.进一步比较了油水环状流与石油单相流通过阀门的压力损失,得到油水环状流输送石油的效率提升效果.

新型稠油水环发生器维稳特性与结构优化研究

为了改善水环在输送稠油过程中易失稳的问题,提出了一种新型水环输送发生器,开展了水环维稳特性及优化研究.采用VOF模型进行模拟,根据水环成型原理建立了层流水环流动数值模型,并通过对比实验结果验证了该数值模型的正确性,据此研究了新型水环发生器不同间隙厚度的水环维稳特性和螺旋叶片对水环维稳特性的强化效果.结果表明:间隙厚度过大过小都不利于水环的形成和稳定,当流速为1m/s时,在直径为19mm管道中,发生器间隙为1.4mm所产生的水环较稳定,即间隙厚度与主管段直径比为3∶20时效果最好;采用螺旋叶片结构可以将水环稳定长度由150mm提高到500mm,增幅达2.3倍.

水基泡沫降低稠油流动阻力的新思路

根据"泡沫油"产量比普通稠油产量高数倍及微气泡可降低湍流边界层摩阻的事实,提出采用水基泡沫来实现稠油流动边界层隔离与润滑减阻的新思路。基于国内外相关研究成果的系统分析,探讨水环、微气泡和水基泡沫减阻的有效性,剖析水环输送存在的主要问题,理论分析利用水基泡沫环在水平管与垂直管中实现稠油流动减阻的可行性。结果表明,泡沫环减阻思路在理论上是可行的,且井筒及深水立管之类的垂直管更容易实施,其深入研究可望解决水平管内稠油-水中心环状结构的油流"偏心"难题;筛选合适的泡沫剂体系可有效缓解油水乳化与油在管壁上黏附,改善管壁的润滑性,提高中心环状流的稳定性;然而,泡沫环减阻思路的实际应用尚需深入研究其相关科学问题。

油水环状流在转动阀门内的流动状况研究

油水环状流是一种低能耗的管道输送高黏度原油的方式,输送过程中会历经球阀,而球阀开闭动作会对环状流动产生影响。本文对阀门转动过程中环状流的变化状况进行研究,为研究阀芯转动对油水环状流稳定性的影响机制提供数据。采用CLSVOF模型与追踪油水界面,用滑移网格描述阀芯转动,并用标准湍流模型设置湍流,建立数值模拟模型,分析阀芯转动过程中油水环状流的流动状态变化。结果表明,阀芯转动过程中,阀门内油水环状流会发生急剧变化,并受阀门开启速度的影响。

阀门开度对环状流结构的影响研究

研究环状流在阀门中流动结构的变化对石油水环运输稳定性具有重要意义。采用VOF模型与CSF模型进行油水环状流在球阀内的流动模拟,比较不同阀门开度对环状流结构的影响,结果表明,球阀的开度越小,对环状流结构影响越大,并容易导致环状流失稳。

考虑砂石桩固结的混凝土芯砂石桩复合地基固结解析解

考虑了混凝土芯砂石桩复合地基中砂石桩的环形排水通道、砂石桩体内的径、竖向渗流和土体施工扰动,并采用桩土共同分担荷载的初始条件,得到了混凝土芯砂石桩复合地基固结问题的控制方程,给出了控制方程的解答;并分别给出了复合地基按应力和按变形定义的总平均固结度,分析了砂石桩桩体渗透系数、芯桩与砂石桩直径比对地基固结性状的影响。结果表明:对于混凝土芯砂石桩复合地基按应力定义的固结度与按变形定义的固结度表达式不同;地基的固结随着砂石桩桩体渗透系数增加而加快;砂石桩直径一定的情况下,固结速率随芯桩直径增大先增大后减小。最后对本文解和以往的两种解做了比较,与以往解相比本文解能够同时考虑环形通道和桩土荷载分担,给出的固结度介于以往的两种解之间。

气－固并流上行系统的环／核内循环流动结构模型

提出了一个概念合理、预测性能好的两通道模型，描述垂直向上气固流动系统的环／核内循环流动结构。基于气固相互作用最少及质量、动量守恒原理，确定了气固两相流动状态、计算结果（如预测核心区半径、核心区及环形区内空隙率、气体速度、颗粒速度及其轴向分布等）合理，且与实验结果有良好的一致性。该模型还可以用于预测在两通道内的曳力系数，气、固返混以及两区间质量交换速率等，对反应器设计具有一定参考价值。

基于Fluent的井下油水分离和润滑过程中新型润滑元件设计分析

为解决含水稠油采输时油水分离和降黏减阻的问题,采用Fluent软件对井下油水分离和润滑过程进行数值模拟,并设计出一种新型的润滑元件,使其能就地安装,形成高质量油水环状流,有效控制采出液的含水率,提高含水稠油井采收率,并降低后续原油处理成本。固定入口流速为0.6m/s,分流比为0.5,进行润滑元件结构的单因素分析。结果表明:流体在溢流口处径向速度极小,说明形成的油核几乎不存在偏心现象,轴向速度的存在有利于形成清晰的油水界面,从而利于形成高质量的油水环状流,经过元件的流体分离出部分水后轴向速度也得到了提升,有利于提高原油采收率。进行与仿真模拟相同工况下的室内实验,通过改变流速观察润滑元件的压降值与流型的变化情况。结果表明:合理的入口流速范围内,采用雷诺应力模型(RSM)与混合多相流模型(Mixture)计算模拟润滑元件内部流场情况具有较高的可信度。

从电子精细结构原理上揭示直流导线引、斥现象本质

电子具有内部精确结构及运行原理,"磁子环"通过环绕相扣结合而成电子,两根同向直流导线周围的"磁子环流"相遇可发生"环环相扣"的结合力作用;两根逆向直流导线周围的"磁子环流"相遇可发生"环环相撞、分离"的支撑、推斥力作用,进而导致了两根直流导线之间的相吸、相斥现象。

Visualization study on fluid distribution and end effects in core flow experiments with low-field mri method

Core flow experiment is an important means of simulation experiments to evaluate the effect of displacing agent, but conventionally the internal characteristics in the core cannot be intuitively observed, and then some important information can not be directly acquired by experiments. In this paper, a visualization method was used to detect the water-flooding process by using an improved low field nuclear magnetic resonance imaging（MRI） device, and the images describing the distribution of oil and water were collected. The experimental results show that the distribution of oil and water can be visually detected in an appropriate range of core porosity, and the end effect in many mechanics experiments is found to exist also in natural core flow test, and the influence range is about 0.004 m from the end of a 0.05752 m length natural core. The results also indicate that MRI is an effective tool to study the real time fluid distribution in natural core.

乳胶基质水环输送的机理研究

对目前广泛应用于乳化炸药混装车上的水环输送乳胶基质的减阻机理进行了理论分析,分别推导出层流同心水环、湍流同心水环的速度分布与流量计算公式,并得到了从层流到湍流的转捩判据。此外,优化了水环润滑装置结构参数,提出了稳定水环输送的相关措施。

油水环状流在突变管道内的数值模拟研究

随着计算流体力学(CFD)的发展,在管道输送稠油的领域中,水环输送再次受到人们的关注。为了解决实际工程中管道输送稠油经过突变管道的问题,本文借助CFD软件通过研究管内油水体积分布、二次流分布以及压降特性等分析了突变管道内的水环流动特性。结果表明:突变截面对水环的稳定性有显著影响,水环经过突缩截面后会迅速失稳,水环经过突扩截面后在二次流的作用下稳定性增强。研究结果对水环经过突变管道具有一定的指导意义。

井下装药车物理敏化装药的可行性分析

为了解决地下工程施工仰上炮孔装药时化学敏化方式带来的输药泵负载压力太大,以及炸药无法有效粘附炮孔而导致返药的局限性,提出了物理敏化方式混药装药的可行性方法:水环减阻工艺使高粘度的炸药在输药管内形成塞流,与水环同步输送,提高了输药效果;同时利用喷头代替静态混合器大幅降低了输药泵负载且优化了喷射药面形态;特别地,物理敏化后的炸药因剪切极限应力大、粘稠度高,更容易粘附在炮孔内而避免返药的发生。分析结果表明,采用物理敏化方式装药,具有较强的可行性,为井下工程的爆破施工提供了新的思路。

深水重质油采输管润滑层介质影响研究

在深水高黏原油管道输送中,通过在管壁形成水环可以起到润滑减阻的作用,但针对润滑层介质对于减阻效果的影响却鲜有报道。本文基于计算流体力学理论,建立了水平管液环润滑流动模型,分析了水和稀油作为润滑层介质对流场分布和减阻效果的影响,讨论了液环流速和油核流速对环状流稳定性的影响。研究结果表明,油核流速高于或等于液环流速有助于维持液环结构的稳定,水相作为润滑层介质的减阻效果和结构稳定性优于稀油环润滑,完整的水环润滑减阻率可达90%以上,三通形入口可以形成液环润滑减阻,减阻效果与液环的完整性和液环与油核的流速密切相关。本文的研究成果可以为深水油气管道液环润滑减阻工艺开发提供参考。

垂直管道内油-水两相环状流的流动特征

该文通过实验研究了垂直上升和垂直下降管道内油水两相混合液的流动特征。实验段管道的内径为25 mm,垂直段长度为1500 mm。为了得到油水两相环状流流型,分别在垂直管道的入口和出口处安装有收缩和扩张管道。实验中的油相为白油(97 mPa·s,860 kg/m3),水为普通生活用水(1 mPa·s,998 kg/m3),含油率范围为0–100%,混合速度为0.28 m/s–4.65 m/s。研究中,分别采用压力传感器、高速摄像机和快关阀对管道中两相流动的压降、流型和含油率等特征进行了测量和记录,并采用两流体理论模型对流动中的摩擦压降进行预测。研究结果显示:流动中形成的水包裹油的广义环状流型,可以很好的降低摩擦压降,并可以将摩擦压降分为壁面摩擦和界面摩擦两部分,采用两流体理论对压降梯度进行预测,误差小于20%;由于油水两相间的密度差和截面相分布特征,使两相之间存在速度滑移,可以看出垂直上升和下降管道内的油相的相速度值均高于水相,在含油率为60%–80%时其差值达到最大。

烟煤和油页岩循环流化床锅炉颗粒流动数值模拟分析

针对1 MWth循环流化床锅炉试验台设计,采用计算流体力学软件FLUENT6.3,对炉膛内部煤颗粒和油页岩颗粒流动分别进行数值模拟。结果表明:烟煤和油页岩颗粒在循环流化床内流动均符合"环-核"流动;颗粒对左边的冲击大于右边,在实际运行中应着重对炉膛左侧采取防磨措施;稀相区油页岩颗粒压力衰减速度快于烟煤颗粒。

稠油水环发生器结构优化

水环发生器是水环输送稠油技术的重要装置,为了改善水环稳定性和提高输油效率,对水环输送稠油的减阻机理进行讨论,并采用数值分析的方法对水环发生器结构进行优化。采用VOF(Volume of Fluid)模型建立了水环流动数值模型,并完成了模型验证,研究了水环发生器不同间隙厚度对其稳定性的影响,探讨了水环发生器间隙厚度对水环输油效率的影响,得到了水环发生器最佳间隙厚度。结果表明:间隙厚度存在一个最佳值,过小不利于水环的形成和稳定,过大则会降低输油效率。研究结果为水环输送高黏原油提供了理论指导。