三维定向井抽油杆柱力学特性有限元分析新方法

结合定向井井眼轨迹的三维空间特征和超细长杆柱在井眼中的双重非线性(接触非线性和几何非线性)特征,同时考虑Ray-leigh阻尼及液体摩擦影响,建立了抽油杆柱三维动态有限元方程。利用Newmark法对抽油杆柱运动过程进行时间域离散,采用结点迭代的循环求解方法对三维动态有限元方程进行了数值求解,并用直接约束法对杆/管接触问题进行了处理,得到了抽油杆柱每一结点6个自由度方向的变形和载荷。以实测井底泵功图为边界条件,求出了抽油杆柱与油管的动态接触位置,并获得了地面示功图,将预测结果与实测地面示功图进行了对比。结果表明,结点迭代法可以避免大型矩阵的数值计算问题,与Newmark法相结合,能够较准确地求解出井下抽油杆柱的三维受力及运动状态。

双台肩钻杆丝扣粘扣失效的力学机制探究

针对丝扣粘扣中接触压力过大引发的塑性变形的问题,基于双台肩钻杆接头的三维有限元分析,分析了上扣扭矩、轴向拉力、旋转扭矩作用下的钻杆接头接触压力分布规律和Mises应力分布规律。研究结果表明:当轴向拉力达到2500kN时,主台肩上的接触压力降为零,这将使得载荷主要由螺纹牙来承担,增加丝扣粘扣的风险。当旋转扭矩超过24000N m时,一方面提高了副台肩上的接触压力,增加了副台肩失效的风险;另一方面大幅提高了螺纹牙的承载比例,增加了丝扣粘扣的风险。适当增大副台肩间隙和副台肩处的接触面积可以降低大位移井中副台肩失效的风险。适当增大主台肩、副台肩的接触面积可以降低超深直井中丝扣粘扣的风险。本文计算的三种工况条件下,最大Mises应力同样均位于公扣大端第一个螺纹牙处,说明该处是最易发生粘扣的部位,在螺纹结构的优化设计中应予以重点考虑。

钻柱振动信息测量技术研究进展

随着深井、超深井数量的快速增加,钻柱振动导致的钻具失效问题更加突出,针对钻柱振动的研究可分为理论与数值模拟、测量分析两种方法.由于钻柱振动具有复杂的非线性特征,使得理论与数值模拟研究受到了很大限制,因此井下振动测量技术的研究显得尤为重要,本文比较全面和系统地介绍了国内外钻柱振动测量技术研究现状和进展情况,并对几个应用较为成熟的国外测量系统的工作原理、分析方法及应用技术进行了详细的综述,所得结论可为我国井下振动测量技术的发展提供重要参考.

双激励超音速气体雾化喷嘴共振特性的数值研究

超音速气体雾化(ultra-sonic gas atomization,USGA))喷嘴是实现喷射雾化的重要装置,它能够产生脉动的超音速气流,获得较小的平均粒径和集中的粒径分布.在USGA喷嘴的共振管端部引入了主动的激励信号,组成双激励式超音速气体雾化器,并对超音速气体雾化器内部Hart-mann腔体气体流场在无激励/有激励情况下所产生的气体振动特性进行了数值研究.结果表明在主动激励器的作用下,超音速气体雾化器内气流的振动效果如振幅和起振特性等都得到了有效的加强.研究发现超音速气体雾化器存在多个气体受激振动的共振频率,其对应于两类不同的共振模式,"Hartmann模式"和"全局模式".双激励器信号的频率、激励幅度及相位差改变都能够有效地改变超音速气流的振动特性.研究同时阐明了Hartmann共振管和二次共振管在USGA喷嘴腔体内产生气体脉动时的联动特点.

用Lattice Boltzmann压力模型模拟纳米增注实验的流动参数

经岩心流动实验证实,岩心经纳米颗粒吸附法处理后,水流速度加快,岩心的水相渗透率有了大幅提高,平均达到82%。采用Forchheimer-Darcy模型描述岩心微孔道内的流体流动特征,建立了多孔介质表征体单元(REV)尺度上的不可压Lattice Boltzmann(LB)压力模型,编制了修正反弹格式的LB模拟程序,模拟了多块岩心的渗流效果,计算了纳米颗粒吸附法处理前、后的相关流动参数。数值模拟结果与实验结果吻合较好,说明LB压力模型适合模拟多孔介质的流动,在纳米增注渗流机制研究方面将有很好的应用前景。

不同应变率下PC,ABS和PC/ABS合金拉伸变形行为研究

采用实验方法研究了PC(聚碳酸酯)、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯)和PC/ABS合金(PC与ABS共混率为80∶20,60∶40,50∶50和40∶60),在不同应变率条件下的拉伸变形行为.采用MTS-810万能材料试验机和分离式Hopkinson拉杆实验系统分别进行了PC,ABS和PC/ABS合金室温条件下的准静态和冲击拉伸实验,得到了上述材料在不同应变率条件下的真应力-真应变曲线;通过对其变形特点的详细分析,讨论了应变率和ABS含量对拉伸变形的影响,并且给出了10-4s-1～103s-1应变率范围内屈服应力与应变率的线性关系式.

轴向加速运动黏弹性梁受迫振动中的混沌动力学

研究了黏弹性轴向运动梁在外部激励和参数激励共同作用下横向振动的混沌非线性动力学行为.引入有限支撑刚度,并考虑黏弹性本构关系取物质导数,同时计入由梁轴向加速度引起的沿径向变化的轴力,建立轴向运动黏弹性梁横向非线性振动的偏微分-积分模型.通过Galerkin截断方法研究了外部激励的频率和因速度简谐脉动引起的参数激励的频率在不可通约关系时轴向运动连续体的非线性动力学行为,并对不同截断阶数的数值预测进行了对比.基于对控制方程的Galerkin截断,得到离散化的常微分方程组,使用四阶Runge-Kutta方法求解.基于此数值解,运用非线性动力学时间序列分析方法,通过Poincaré映射,观察到轴向运动梁随扰动速度幅值的倍周期分岔现象,并比较了有无外部激励对倍周期分岔的影响.分别在低速以及近临界高速运动状态下,从相平面图、Poincaré映射以及频谱分析的角度识别了系统中存在的准周期运动形态.

基于密封性能要求的超深井钻柱极限提升力的确定

为了评估大轴向载荷作用下的钻杆接头密封性能,保证钻杆接头的使用性能,采用三维有限元方法建立了双台肩钻杆接头高精度有限元模型,研究了钻杆接头的密封机理,并分析了其在上扣扭矩和轴向拉力作用下的力学特性。研究结果表明,双台肩钻杆接头的密封以主台肩、副台肩为主,只有当上扣扭矩使主、副台肩上产生一个合理的接触压力后,才能保证接头的密封性能;轴向拉力的作用将降低主、副台肩上的接触压力,从而影响接头的密封性能;当轴向拉力超过2 500kN时,主、副台肩将失去密封性能,从而增加接头发生应力腐蚀的风险。该研究结果对超深井钻杆接头使用性能的提高和钻柱极限提升力的确定具有一定的参考价值。

壁面结构对非定常薄膜流动表面波特性的影响

采用VOF方法,在入口处引入周期扰动,对沿矩形结构底板下落的二维非定常薄膜流动进行直接数值模拟.计算结果表明,不同频率的外加周期扰动在流场中激发出不同波长的自由表面波.当壁面结构的波长与之相比较小时,由于壁面结构引起的静态波骑行在外加扰动形成的行进波上.若这两个波长相近,非线性效应将促进附近的表面波之间的合并.当薄膜无量纲厚度为0.26时,壁面结构的波长和频率为f=7 Hz的周期扰动激发的表面波波长相同,流场中出现共振现象.探讨了壁面结构对液膜流动结构的影响,发现表面波相速度随着壁面深度的增加而减小.

五阶双色双向海洋表面波理论

将经典的"纯波动的三阶单色单向Stokes波理论"提升至"可包含环境均匀流效应的有限水深五阶双色双向海洋表面波理论".亦即,在已有三阶双色双波理论的基础上得到了自由表面位移、速度势和非线性振幅色散关系的第四阶、第五阶显式表达式.从中,将居于核心地位的"双色双向波的第五阶非线性振幅色散关系"又推广到"无穷多波中任意两两不同频率不同振幅相互作用波的非线性振幅色散关系".针对双色双向短峰波的典型特性,以若干个图表详加示之.

复杂载荷作用下海洋非黏结柔性管道三维受力特征分析

针对海洋柔性管道结构特征复杂、受力分析困难、复杂载荷作用下力学机理不明确的问题,考虑各功能层层内和层间的摩擦接触行为,建立某海洋非黏结柔性管道三维非线性有限元模型,分析其在内压、外压、轴向力和扭矩作用下的受力特征。研究结果表明:海洋非黏结柔性管道在外载荷作用下容易产生波节性变形特征;外压主要由外侧抗压铠装层承担,内压主要由内侧抗压铠装层承担,轴向力主要由抗拉铠装层承担,扭矩主要由与其旋向相反的抗拉铠装层承担。参考该分析结果,可有针对性地对某特定功能层进行优化设计以提高海洋非黏结柔性管道的预期力学性能。

有结构壁面上液滴运动特征的耗散粒子动力学模拟

本文采用耗散粒子动力学方法,研究了恒定外力驱动下液滴在有结构壁面上的运动过程.通过研究液滴在通过壁面结构时前缘接触点和前进角的变化,分析了液滴的运动特征.研究结果表明,在不同润湿性或不同外力驱动下,存在使液滴运动最快的"最优"壁面结构,并对其机理进行了讨论.本文还探讨了壁面润湿性、热涨落以及外力对液滴运动状态的影响.

开孔变截面微悬臂梁传感器的等效刚度和固有频率

研究新型开孔变截面微悬臂梁传感器的等效法向刚度及其对固有频率的影响。首先,考虑微梁纵截面孔洞结构引起的弯扭耦合效应,利用二次积分法获得在自由端集中载荷作用下悬臂梁的挠度,基于弹性材料的Hooke定律建立了微梁等效法向刚度分析的解析模型。然后,采用Rayleigh法获得了微梁的固有频率。最后,通过比对实验结果和有限元结果对解析模型进行了验证。研究表明:解析模型对于开孔变截面微梁刚度和频率的预测和标定具有较好的精度;微梁的等效刚度和固有频率与跨宽比负相关,却与内外宽度比正相关。有关结论可为新型变截面微纳机械传感器的设计提供理论依据和参考。

热应力作用下层合路面结构层间剥离内力分析

温度变化会造成环氧树脂-混凝土特种路面结构边缘处产生脱层现象.基于层合结构热应力的两变量解析模型,推导了层间剥离力矩和剥离剪力.该方法避免了采用弹性理论求解局部复杂应力状态的困难,为解决层合结构边界脱层问题提供了新途径;由此,研究了环氧树脂层的厚度和弹性模量对层间剥离内力和混凝土层最大拉应力的影响.计算结果表明,通过控制环氧树脂层厚度和弹性模量,可有效降低剥离内力,避免剥离破坏.

光伏组件单元的热应力和内力分析

由于层间热失配效应和边界效应,在层合结构边缘存在局部剥离应力和界面剪切应力,引起光伏组件单元的破坏。针对此类问题,首先采用张能辉提出的两变量方法,给出层合结构内部轴向正应力和边界区域界面剥离内力的解析模型。随后进行有限元数值模拟,通过对比证明解析预测具有较高的准确性;同时讨论硅片层弹性模量和厚度对层间剥离内力和轴向正应力的影响。最后考虑温度变化,讨论导热层对光伏组件单元热应力和剥离内力的影响。

风压作用下房屋自然通风的PIV实验研究

为认识屋内流动结构和改善房屋自然通风效果,本文介绍了风压作用下大开口的房屋自然通风模型的风洞实验结果。首先通过表面压力分布测量得到了建筑物表面风压系数的分布规律,以此为依据选取合理的窗口位置。而后采用PIV粒子图像测速技术,对房屋模型内自然通风的流场进行定量测量,研究不同窗口大小和窗口位置对室内流场速度分布的影响;通过实验比较不同工况下自然通风效果的优劣,对如何改善建筑物内部空气品质提出合理建议。实验得到了不同工况下自然通风的流量及流场结构。通过对实验结果的分析,发现在大开口的情况下,采用传统的流量系数计算方法得到的通风量会偏小,无法反映真实的通风情况。各个模型中,综合考虑新风流量、室内空气平均年龄、污染物较为集中的位置等因素,发现选择进风窗口大、出风窗口小的通风模型,产生风压作用下穿堂风式的自然通风,可以得到更好的通风效果。而室内家具的摆放也会影响房间内部的空气流动,合理放置家具可以提高室内的空气品质。

粗糙壁面Rayleigh-Bénard湍流热对流研究进展

粗糙壁面湍流广泛存在于自然界和工程技术等诸多领域,对其深入研究具有重要的理论价值和现实意义,既可以帮助揭示湍流边界层中的结构生成和动力学过程,又与很多实际应用息息相关.本文主要关注RayleighBénard湍流热对流这一典型的封闭湍流系统,着重评述了近年来粗糙壁面热对流领域内的若干研究新进展,包括粗糙壁面如何增强/减弱系统的整体热输运效率、粗糙壁面是否有利于终极区间的实现等.最后,对今后的研究工作进行展望.粗糙壁面对湍流输运的影响需要更进一步对边界层精细测量研究,粗糙壁面所引发羽流等湍流结构的生成和分离,与大尺度环流的单涡流动结构和多涡流动结构演化发展研究相对较少,粗糙元几何结构导致对称性流动结构的影响研究仍需更深入的探讨.

地铁站内交织行人流的简化模型和数值模拟

地铁站内多方向行人流以不同方式通过瓶颈时具有不同的效率,发生拥堵的机制也有所不同.本文将地铁站内行人流的交织运动简化为连通双通道内两股行人通过瓶颈的情形.采用推广的格子气模型,通过引入背景场,使改进的模型可以刻画地铁站内行人流的运动特征,通过数值模拟研究了两股行人以两种不同方式经过研究区域的清空时间以及瓶颈宽度的影响.研究发现,在模型中考虑行人沿对角线的运动可以更加准确地描述真实行人运动.当瓶颈宽度小于临界宽度时,逆向交织的行人经过研究区域具有更高的效率,验证了行人流实验的结果.此外还详细讨论了在瓶颈处发生拥堵的机理.

海洋表面波的3-4-5波共振守恒理论

面对海洋表面完整的两大波要素—-张力波和重力波,构建出一个确定、丰富、基本的有限水深海洋表面波的"3-4-5波共振守恒理论".与以往经典、现代的多种结果相比,充分保证了该理论的"精确性、对称性、完备性",为后继、普适的海洋波湍流统计理论提供了一个必备基础.

变截面耦合微悬臂双梁的基本振动特性

本文研究了连接部件的几何参数对变截面耦合微悬臂双梁振动特性的影响.首先,利用集总参数法建立了等效的两自由度系统耦合振动的解析模型;其次,利用分离变量法获得了耦合双梁自由振动的固有频率、振幅比和强迫振动的反共振频率;最后,通过比对解析解、有限元数值结果和实验数据,验证了解析预测的可靠性.研究结果表明,连接部件的宽度和初始偏转角的变化会对耦合双梁振动的特性产生较大的影响.