不同尺度水平并列气泡运动特性三维数值研究

本文基于Open FOAM开源代码建立了能描述气泡运动的三维气液两相流数学模型,对单个气泡及不同尺度大小的并列气泡在静水中上升的运动过程进行模拟.通过数值模拟进一步了解气泡形变特征以及射流产生与发展的真实物理过程,同时探究新增气泡的尺度效应对原单气泡的影响.结果表明,本模型能较精确地模拟气泡在水中的运动变化过程,适应于具有大密度比的复杂界面流的三维数值研究;气泡周围的速度场与涡量场有效地揭示了气泡射流的动力结构特点;对于能贯穿气泡上表面的射流,其速度在穿透气泡之前与气泡上升速度同时达到最大值;在单气泡周围一定范围内布置新的气泡,新增气泡的尺度越大,对原气泡流场结构影响越大,新增气泡尺度增大导致气泡射流向两气泡所处位置连线的中轴线方向发展.     

气泡在静水中上升破裂产生射流特性的数值模拟

为了研究不同直径参数对气泡上升、破裂及产生射流的影响,建立了二维旋转数学模型,选用SIMPLEC算法进行数值计算,对单个气泡在静水中运动进行了数值模拟.采用VOF界面几何重构方案,追踪气泡运动过程中气泡表面的变化,并监测气泡上升速度随时间的变化特性.探讨了气泡在抵达自由液面时的破裂机理以及气泡破裂时产生射流的特性.结果表明:气泡在上升过程中逐步由球形变为椭球状,在到达液面时破裂,并产生射流,随着气泡直径的增加,气泡上升速度逐渐增大,气泡破裂时喷射的射流也越高.     

单个三维气泡运动的直接数值模拟

采用VOF（Volume—of-Fluid）中的PLIC（Piecewise Linear Interface Calculation）界面重构方法模拟了三维气泡在另一种静止流体中的上升和变形运动;在数值模拟的例子中分别考察了不同黏度和表面张力对气泡在上升过程中的变形及上升速度等的影响．计算结果表明,PLIC界面重构方法可以正确地模拟气泡的变形、破裂等过程．黏性和表面张力在气泡运动过程中的作用可以用Eoetvoes数和Reynolds数来描述．在相同的密度和黏度比的情况下,表面张力越大,则气泡的形状变化越小,上升的速度越快,表面张力起着使气泡保持原状的作用;黏性越小,则气泡在上升过程中射流穿透上表面的时间越早,变形速度越快．     

用Level Set方法对水下两个气泡运动的数值模拟

利用Level Set方法,三维数值模拟了两个气泡的上升运动.通过改变气泡尺寸及位置,研究气泡对在上升过程中的尾迹流及其相互作用规律.数值模拟准确再现了气泡对的变形、吸引或排斥行为,气泡上升速度计算结果与经验关联式结果吻合;气泡周围的速度场揭示了两个气泡尾迹流的流体动力学作用;对于水平或垂直放置的气泡对,当下方气泡有大于50%的投影面积进入到上方气泡的尾流区时,两个气泡将发生聚并现象.     

液态金属熔体中气泡运动特性数值模拟

为了揭示高温液态金属熔体中气泡运动规律及其彩响因素,应用VOF方法对单个气泡在液态金属中的运动特性进行了数值计算,得到了与实验数据相符合的气泡变形及上升速度规律;分析预测了表面张力对气泡变形过程的影响及单个气泡在液态铝熔体中的运动轨迹．结果表明,气泡的变形随着奥托斯数的减小而减小;其运动规律是呈螺旋式上升的,容器半径越小、气泡越小,气泡的摆动幅度越大．     

鼠李糖脂气浮处理含油废水的研究

不同浓度的生物表面活性剂鼠李糖脂在气浮过程中对单个气泡和气泡群特征有影响,因此利用高速摄像仪记录了气泡瞬时运动过程,并用图像分析软件分析了表面活性剂浓度对气泡上升速度和气泡尺寸分布的影响.结果表明,在一定浓度范围内表面活性剂的浓度越大,气泡上升的终端速度越小.并且表面活性剂的浓度到一定程度时,气泡上升的终端速度变化不大.加入生物表面活性剂鼠李糖脂后,气泡的平均尺寸趋向于减小,气泡尺寸大小分布均一.气/水表面张力最低时,添加生物表面活性剂鼠李糖脂的质量浓度为0.5 wt.％,并且在这个表面活性剂质量浓度下对含油废水利用生物絮凝剂壳聚糖进行气浮-絮凝实验,在pH为7,壳聚糖的投加量20 mL,气浮时间10 min下含油废水的COD去除率可达到90.39％.因而生物表面活性剂鼠李糖脂和生物絮凝剂壳聚糖处理含油废水切实可行,这对环境保护和人类的健康生存具有极其重要的意义.     

初始形状对浮升气泡动力特性的影响

采用Level Set方法,三维直接数值模拟了浮力作用下单个气泡的上升运动.数值模拟中,气液系统的物性参数设置为埃奥特沃斯数Eo=1～103,莫顿数Mo=10-10～102.数值研究了气泡的初始形状对气泡的变形和上升速度的影响,并与文献中结果进行了比较;给出了高Eo时气泡由球帽状转变为气泡环的结构相图,确定了二者形状转变的Eo和Mo;最后详细分析了初始形状影响气泡动力学特性的机理.模拟结果表明:低Eo(Eo<52)时浮升气泡的终端形状与上升速度基本不受初始形状的影响;高Eo和低Mo时的浮升气泡受初始形状的支配,呈现出球帽状和气泡环两种最终形状,初始气泡的高宽比越大,气泡越容易变形为气泡环,上升速度的脉动也越剧烈.     

基于FTM的不同初始形状同轴双气泡上升直接数值模拟

多气泡运动在各个工程领域广泛存在。为更好的研究不同形状的多气泡上升过程,采用界面追踪法（FTM, Front Tracking method）对四种具有不同初始形状的双气泡上升情形进行二维数值模拟。模拟结果表明,两竖直分布的气泡上升时,上部气泡的尾流会使下部气泡的速度更快;气泡的初始形状对气泡上升的速度和变形都有影响,圆形气泡相较于椭圆形气泡,上升速度更小;下部气泡为椭圆形时,上部气泡的变形更大。     

金属熔池往复搅拌流场中气泡运动特性数值模拟研究

应用基于体跟踪的VOF方法对金属熔池往复搅拌流场中单个气泡的运动及变形特征进行了数值模拟研究.分析了搅拌流场的往复运动频率、气泡初始尺寸、表面张力以及奥托斯数Eo和莫顿数Mo等因素对气泡运动与变形的影响.数值模拟结果表明,气泡上升轨迹与气泡直径、流场平动频率及Mo有关,气泡直径越大,其螺旋上升趋势越强;在分析范围内,平...     

基于界面追踪法的不同初始形状同轴双气泡上升直接数值模拟

多气泡运动在各个工程领域广泛存在。为更好的研究不同形状的多气泡上升过程,采用界面追踪法(front tracking method,FTM)对四种具有不同初始形状的双气泡上升情形进行二维数值模拟。模拟结果表明,两竖直分布的气泡上升时,上部气泡的尾流会使下部气泡的速度更快;气泡的初始形状对气泡上升的速度和变形都有影响,圆形气泡相较于椭圆形气泡,上升速度更小;下部气泡为椭圆形时,上部气泡的变形更大。     

射孔完井水平井筒变质量湍流压降规律研究

运用拟三维原理 ,提出了用于计算地层刚性渗流、弹性不稳定渗流与水平井筒内变质量湍流耦合的新方法 ,解决了在井筒变质量流体流动模拟过程中井筒边界条件难以确定、地层线性渗流与井筒内非线性湍流难以耦合的问题。同时 ,对不同射孔方式和生产制度下流体水动力学进行了分析 ,研究了射孔入流与水平井筒内流体的相互作用关系及变质量主流体的流动特性。模拟结果表明 ,与圆管湍流相比 ,井筒内变质量流具有更大的压降系数 ,且主流中心速度降低 ,速度剖面呈现内凹形式 ,水平井射孔设计应该利用井筒内流体与渗流的耦合模拟进行优化。     

有水气井井底出水量计算方法研究

研究了一种新的有水气井井底出水量的计算方法。通过研究滑脱对井筒中气液分布的影响,采用瞬时稳定流法建立了流体呈不稳定流时井筒气液的物质平衡关系,分析了流体在井筒中的流动过程,推导获得了井筒流体空间分布随时间的变化关系,从而得到了有水气井井底出水量随时间的变化关系。     

气泡生长及脱离过程中下边缘的迁移行为

基于高速摄像技术记录静止液体中气泡生长及脱离过程,并采用Image-Pro Plus 6.0软件进行后处理,研究了两种管径下气泡生长过程的形状变化.实验结果表明:由于不同管径下气泡生长过程中起主导的作用力不同,导致小管径生成气泡的高宽比随时间变化呈先陡后缓的上升趋势,大管径生成气泡的高宽比随时间变化呈先缓后陡的上升趋势;由于生长前期不满足脱离条件,小管径生成的气泡会出现下边缘向液体侧迁移的现象;大管径生成的气泡在气液面与固液面夹角小于接触角时即达到脱离条件,因此不会出现迁移;3.80 mm气泡脱离上浮的临界高宽比稍大于9.28 mm气泡相应值.     

底吹中间包气泡形成过程的数模研究

采用两阶段模型，使用MATLAB语言编程，对中间包气幕挡墙砖中气泡的形成过程进行了数学模拟，研究了影响气泡大小的因素。结果表明：中间包内所形成气泡的大小主要受气体流量、钢液流速和气孔直径的影响。气泡直径随气体流量的增大而增大，随钢水流速的增大而减小，随气孔直径的增大而增长。孔径增大对气泡直径的影响较明显，孔径较小且只在较小范围内波动时，钢液流速和气体流量是主要影响因素。     

板状油藏大斜度井流入动态

基于瞬时源函数法和势的叠加原理,采用空间和时间的离散技术,建立简化的大斜度井油藏渗流模型,并通过与传统模型对比验证新建模型的准确性。根据油藏-井筒耦合关系,建立大斜度井流入动态模型,并给出求解方法。分析结果表明:无限大顶底封闭油藏大斜度井在定产量生产过程中,井斜角和储层厚度对流入动态的影响在早期径向流阶段最小,在中期过渡流阶段逐渐增大,到晚期拟径向流阶段达到稳定;储层越厚,井斜角越大,井底势降越小;储层越薄,井斜角越大,端部效应越强;井筒两端较大的边界影响是导致大斜度井与水平井流入动态差异的主要原因。     

透气砖对底吹中间包钢液流动特性影响的水力学模拟

采用不同性能参数的多孔透气砖进行中间包底部吹气水模实验，研究透气砖的气孔率、透气度、平均孔径对所形成的气泡大小和能形成有效气幕所需条件的影响，并分析使用不同透气砖时的RTD曲线，对使用不同透气砖时的吹气参数进行了优化。研究结果表明，透气砖的气孔率、透气度越小，形成的气泡越小，能形成有效气幕所要求的吹气量越大。采用中间包底部吹气技术，当控制的吹气参数合理时，可以有效地延长钢液的平均停留时间，降低死区体积；在中间包底部同一位置吹气时，气体通过的透气砖不同，要求的吹气参数不同。     

巨厚气藏气井井筒压力计算模型及应用——以普光气田为例

针对目前常用定质量流井筒压力计算模型不适用于产层段井筒长、从底部至顶部质量流量变化大的巨厚气藏气井的问题,通过耦合气井流入状态和井筒管流,建立了巨厚气藏气井产层段变质量流井筒压力计算模型,并通过实例气井进行验证,同时将该模型应用于气井产能评价。结果表明：变质量流模型计算的井筒压力值比定质量流模型小,两者之间差异随产气量和产层段长度增加而增大;在产层段不同深度处,变质量流模型计算误差均小于2%,计算精度较高。该变质量流模型能较精确地计算井筒压力值,进而可以有效解决气井产能测试遇阻无法获得井筒压力、井筒压力折算值不准确易导致产能指示曲线负异常等问题。该研究对巨厚气藏气井井筒压力分布计算和产能评价能够提供强有力技术支撑。     

底水油藏水平井控流完井数值模拟耦合模型

为了预测控流完井条件下底水油藏水平井生产动态并设计关键控流参数,以数值模拟方法为数学求解手段,建立三维空间油水两相混合网格耦合模型,引入"拟传导率"概念,使得耦合模型中包含的油藏渗流、井筒管流和筛管控流3种数学模型可写成统一线性数学表达形式,从而方便建立大型线性方程组求解。结果表明:拟传导率反映相邻网格之间井筒管流或筛管控流流动过程中某相流体流量和压降的比率,流体流动阻力越大,则拟传导率越小,反之亦然;相比常规裸眼井下滤砂管完井,用耦合模型设计控流参数的控流完井方法使得实例井流入流率剖面、油藏渗流压降剖面、水脊前缘上升剖面和见水时间剖面更加均衡,见水时间大幅延长。     

镁蒸气铁水脱硫气液反应过程水模型研究

针对镁蒸气铁水脱硫的气液反应过程,利用物理模拟的方法,通过水模型实验对铁水脱硫气液反应过程进行实验研究.采用高速照相机来获取不同通气模式、通气流量和搅拌桨浸入深度下气泡的分布状态.用NaOH 与 CO₂ 的一级反应来模拟镁蒸气脱硫过程中的吸收速率和利用率.结果表明:使用中心底吹模式,通气流量为 2.0m³/h,搅拌桨浸入深度为 250mm 的条件时,熔池内的气泡细化分散效果很好.气液传质速率和 CO₂ 气泡利用率均有明显提高.     

分汊河道近底水流特性试验研究

近底水流结构是影响泥沙起动、床面变形以及航道整治建筑物稳定性的直接因素.以长江中游武汉天兴洲段这一典型分汊河道为原型,开展物理概化模型试验,通过对比纵横向测点的流速差异,分析分汊河道近底流速分布特性以及近底水流脉动变化规律.结果表明:河床地形对近底水流时均流速有一定的影响,分流区内时均流速沿横向分布较为均匀,而汊道段时均流速沿横向和纵向上分布均有波动,总体上河床高的地方流速大,且与测点处的水深呈负相关;脉动强度与该点处时均流速之比称为相对脉动强度.江心洲逆坡段的滩槽交界区域水流结构复杂,相对脉动强度大,在平直的滩顶段则是滩面处的相对脉动强度最大.