基于FLUENT的高粘度酸液酸岩反应流场模拟研究

高粘度酸液酸岩反应时流体的流动情况比较复杂,很难用实验手段直接测量。本文采用流体计算力学(CFD)软件FLUENT对高粘度酸液在反应釜内部的流动情况进行模拟,结果表明：对于高粘度酸液而言,随着转速的增加,壁面速度损失愈加增大。本文得出了转速与壁面速度损失的关系式和转速与壁面速度的关系式,以此两关系式可以较为精确的计算各转速下壁面速度损失与壁面速度;将模拟结果与地层裂缝联系起来,得到了施工排量与实验装置转速的关系,从而优化实验设计。捕捉到了模拟装置反应釜内部流场的流动细节,为以后的实验提供了参考,并对反应釜的设计改造提供了理论依据和指导方向。     

微纳尺度下Couette流动的分子动力学模拟

为了研究微纳尺度下流体密度、壁面剪切速度以及不同材料的壁面对流体流动特性的影响,采用分子动力学方法对流体在微纳尺度下的Couette流动进行模拟。研究结果表明:随着流体密度增加流体与壁面作用力增大,壁面对近壁流体的束缚也增强,近壁面处流体粒子自由运动减弱导致流体扩散能力下降,同时流体等效黏度随密度增加而增大,滑移量减小;壁面剪切速度增大,导致近壁面处流体粒子数减少,流体等效黏度降低,流体粒子在通道中更容易进行无规则自由运动使其扩散能力增强;通过改变壁面材料,发现金属壁面作用力强于非金属,在金属材料近壁面处更容易吸附较多流体粒子,导致金属壁面附近流体等效黏度较大,滑移量相对较小。     

三维纤维过滤介质压力损失数值模拟

目前纤维过滤介质压力损失的研究大多基于纤维的二维规则排列及低速过滤状态,这与实际过滤介质构造及过滤运行状态存在一定的差异.基于VBA编程,创建三维随机排列纤维过滤介质模型,采用计算流体动力学(CFD)软件模拟计算其内部流场,研究低速及高速过滤状态下压力损失与速度的关系,研究结果表明:模型内部的流体流动呈现线性流区和非线性流区两种流动区域,且两种流动区域的雷诺数临界值为0.33;当流体平均速度大于0.3 m/s对,压力损失与流体平均速度不再是简单的线性关系.通过对模拟数据的分析,提出了适合于线性流区及非线性流区的压力损失-流体平均速度关系表达式.     

多级交替注入酸压温度场数值模拟

深层碳酸盐岩油气藏在全球油气生产中占据着非常重要的地位,但是由于储层高温导致酸岩反应速度较快,酸蚀有效作用距离短,这严重影响到储层酸压改造的效果。多级注入酸压技术通过交替注入低温的前置液与酸液,持续对储层进行降温,并形成酸液在前置液中指进的现象,大大提高了酸液有效作用距离,因此被广泛应用于现场。为探究交替注入酸压温度场与作用距离的关系以及不同参数对温度场的影响规律,基于有限元方法利用VOF模型和UDF方法模拟了交替注入的酸压温度场,分析了注入速度、黏度比及酸岩反应热对缝内温度场的影响并且优化了4级注入时酸液和前置液的用量比。结果表明,注入速度越大,裂缝壁面温度越低,液体对地层的降温作用越明显,速度提高2倍时,平均壁面温度下降幅度增加35.76%;黏度比越大,裂缝壁面温度越低,黏度比提高1.5倍时,平均壁面温度下降幅度增加5.18%;酸岩反应热越小,裂缝壁面温度越低,酸岩反应热每增加10 KJ/mol时,平均壁面温度下降幅度减少13.26%。从深层储层降温的角度,建议选择酸液与前置液用量比为0.8~0.9,以递减的方式注入,为交替注入施工参数优化提供了一种新思路。     

基于新型Couette结蜡装置的长庆原油结蜡特性及模型建立

利用自行研发的Couette结蜡装置考察壁面油温、油壁温差、壁面剪切等因素对长庆原油蜡沉积速率的影响;通过FLUENT软件模拟结蜡装置内部的流场及温度场,得到结蜡筒壁面处黏度、温度梯度、剪切应力等参数,建立适合长庆原油的蜡沉积模型。结果表明:不同油温、油壁温差、样品筒转速条件下,主导长庆原油蜡沉积速率的内在因素依次为壁面处的蜡晶溶解度系数、壁面处的温度梯度和壁面处的剪切应力;数值模拟结果与实际管线的流场、温度场分布规律相吻合;模型计算值与试验测量值的平均误差为6.47%。试验结果较好地反映了长庆原油的蜡沉积特性,验证了装置的可靠性、算法的可行性和研究方法的可推广性。     

微圆管中流体的微观流动机制

 针对低渗透油藏储层孔隙喉道小的特点,采用管径为20、15、10、5 μm 的微圆管,以去离子水和煤油为流动介质,研究微圆管中流体的微观流动规律,分析去离子水和煤油的实验流速、有效边界层厚度与压力梯度的关系,考察壁面润湿性和流体黏度对微流动规律的影响。研究表明,微管中流体流速与压力梯度基本成线性关系,随着微管管径的减小,流体流动的非线性程度增强,且驱动压力越大,微管有效边界层厚度越小,参与流动的流体更多,有效流体边界层厚度占微管管径的比例也随之降低;微管壁面由亲水性变为疏水性后,流体流速均高于改性前,微管管径越大,作用效果越显著;改变流体黏度时,出现明显的启动压力梯度特征,实验流体黏度从2.40 mPa·s 增至10.20 mPa·s 时,对应的启动压力梯度由1.26 MPa/m 增加到6.83 MPa/m。     

多孔壁入流及其对槽道内主流流动与换热的影响

对带有多孔壁入流的水平槽道内主流气体的流动与换热问题进行了数值模拟。数值计算中将主流区和多孔壁面区进行耦合求解,对多孔壁面内流动和换热、多孔区域的非均匀温度分布、注入率对表面温度的影响等进行了研究。计算结果表明:在多孔壁面内部,冷却气体与多孔壁面内固体颗粒之间存在一定温差,说明在对多孔壁面内部的流动与换热进行体积平均式的宏观数学描述时采用局部非热平衡模型的必要性;在靠近主流气体的多孔壁面孔隙内产生与主流相反方向的速度分量。此外,不同注入率下多孔壁面上表面固体温度的计算值与实验结果基本吻合。     

压力能驱动的自搅拌反应器流动特性数值模拟

提出了一种新型自搅拌管式反应器,并采用数值模拟方法对新型自搅拌溶出反应器内的流体流动特性进行了研究.在搅拌转速不变的情况下,研究了不同入口流速对反应器内部流体流动的影响.结果表明:不同流速下,反应器内部轴向流速整体分布均匀,但反应器入口和出口的流体,由于受到扰动作用速度偏大,且靠近出口的流速低于入口附近流速.径向靠近壁面处速度稍大,靠近搅拌轴处速度略小,说明搅拌桨叶端部对流体作用更大.入口流速为8.3 m/s时,更利于反应器内环流的形成.     

旋流纺纤维气流引导装置内部流场的数值计算

建立了纤维气流引导装置的3．D结构模型,应用计算流体力学软件ANSYSCFX对模型内气流场进行数值模拟,表征了引导装置内部三维流场的流动状态,分析了流场与纤维引导机制的相关关系,并考察喷射孔倾角对其内部流场流动特征的影响。结果表明：压缩气流经喷射孔后在纱道内形成三维旋转气流;切向速度沿纱道轴向与径向存在差异,会造成涤纶长丝上的捻度不匀;轴向速度在管壁附近处较大,涤纶长丝和纤维易与壁面碰撞。     

涡轮增压器涡轮壳流固耦合计算分析

以某型号涡轮增压器涡轮壳为研究对象,利用三维solidworks软件建立了几何模型。利用ICEM-CFD软件对模型划分网格,并运用FLUENT软件模拟涡轮壳的传热和流体流动,以及流体与涡轮壳之间的耦合传热,得到内部流体压力、速度及壳体表面温度分布情况。结果表明,流体速度、压力在靠近壁面处较高,而在靠近螺旋段中心区域处明显降低,壳体表面温度分布较为均匀。研究结果可为涡轮增压器结构优化提供参考。     

刮膜式分子蒸馏停留时间分布的CFD模拟研究

采用CFD模拟软件FLUENT6.2对刮膜式分子蒸馏设备内部物料的停留时间分布进行了模拟研究,通过对设备内部蒸发器建立三维模型,考察了进料速度、转子转速和物料黏度三个因素对停留时间分布的影响.通过单因素分析发现,进料速度的增大会加剧沟流现象,处理高黏度的物料会导致滞留区的产生,而转子转速则对停留时间分布没有明显的影响.此外,通过设计正交试验,以停留时间分布的无因次方差σθ2作为判定指标,研究各因素对流动状态的影响作用,发现物料黏度和转子转速取较大值时,物料在蒸发器内的流动更接近全混流,流动状况和分离效果更为理想.     

90°弯管下游管路流场的非定常特性

借助分离涡模拟(DES)方法,对圆形截面90°弯管内部及下游管路内湍流流场的流动特性进行了研究.分析了不同入流速度、入流直径和弯管中心线半径对下游流动及壁面压力波动的影响.计算结果表明:弯管小半径附近区域发生边界层分离,在下游出现拟序结构及壁面压力波动;提升入流速度能使频谱特性向高频次发展;改变管路直径并不改变内部流场的主要特征;降低弯管曲率可有效降低下游管路壁面上的压力波动.     

壁面局部振动的二维管内流动分析

通过求解二维雷诺时均Navier-Stokes方程,对壁面局部振动的二维管内流场进行数值模拟,分析边界条件在不可压缩计算及可压缩计算情况下对壁面局部振动流动状态的不同影响.研究表明,在不可压缩计算情况下,总压入口条件相对于速度、质量流量入口条件限制少,壁面振动可同时影响振动壁面上、下游的流动参数.在壁面振动管道内,尽管马赫数Ma0.3,可压缩流体的流动现象是完全不同于不可压缩流体的.边界条件对于高频振动计算结果的影响比低频振动计算结果的小.因此,在模拟燃气轮机小幅高频振动叶栅的实际工程问题中,必须采用可压缩计算.在相对平缓、充分的入口段条件下,仍然可以采用常规模拟叶片绕流时的速度入口边界条件进行计算.     

基于两相流欧拉方法的中空纤维管血流动力学数值模拟

对人工肝中空纤维管内血液两相流动进行了三维数值模拟,研究了中空纤维管内血流速度分布、红细胞径向体积分数分布、黏度分布以及壁面条件对红细胞体积分数分布的影响.结果表明,红细胞在轴心附近处黏度高,在壁面处黏度低;红细胞流速略大于血浆流速;红细胞沿径向体积分数分布呈双峰状,随各截面与入口距离增加,邻近壁面处的红细胞体积分数逐渐减小,壁面处的红细胞体积分数逐渐增大;不同壁面条件下,壁面处的红细胞体积分数随所受升力减小而增大,远离壁面运动趋势减弱.     

泡沫流体管流流动与换热数值模拟

基于质量、动量和能量守恒方程,建立泡沫流体在圆管内流动与换热的物理模型和数学模型,并利用FLUENT软件进行模拟,得到不同雷诺数下圆管内的压力损失、管道横截面上的速度分布和表观黏度分布,同时回归了不同雷诺数下的摩阻系数和努塞尔数经验关系式.结果表明:管内压力沿管程不断降低,且流速越大压降越大;管内温度沿管程不断升高,且流速越小温升越大;管道横截面上的速度、温度分布不均匀,越接近管壁速度越小,温度越高.     

连续搅拌槽内假塑性流体停留时间分布的数值模拟

应用计算流体力学商业软件（CFX）模拟了直径0.5m×0.35m的无挡板半球底搅拌槽的流场,计算了流体的停留时间分布(RTD),研究了转速、流量、全槽平均表观黏度对RTD以及全混釜数（m）的影响。结果表明：基于CFX对假塑性流体连续搅拌槽内RTD的模拟结果与实验基本吻合;低转速下,转速的变化对假塑性流体RTD和(m)值的影响要大于牛顿流体,但当转速达到一定值时,对两流体的RTD和(m)值影响较小;转速较高趋于全混时,流量对假塑性流体及牛顿流体的RTD和(m)值影响较小,且对两流体的影响差别很小;高转速条件下,全槽平均表观黏度的变化对假塑性流体RTD和(m)值的影响较牛顿流体大。     

含蜡原油管输的通用速度分布与温度分布

以控制流体流动的动量方程、能量方程和描述流体流动特性的本构方程作为基本方程组,对定壁面温度和定环境温度两种热边界条件下的含蜡原油圆管流动的速度分布与温度分布进行了解析求解.分析与计算表明:所得解析解普遍适用于含蜡原油的各种流变行为.当屈服应力τ0不等于零时,在管中心存在着柱塞流,柱塞半径r0与τ0成正比;在柱塞内,速度与温度沿径向呈均匀分布;在柱塞外,速度与温度沿径向呈曲线分布.通过实例计算,分析了流变参数对速度与温度分布的影响,为含蜡原油管输中压力损失和热力损失的准确计算奠定了基础.     

方形通道内流体流动的耗散粒子动力学并行计算

利用耗散粒子动力学(DPD)对方形通道内流体流动进行了模拟.通道壁面由3层粒子组成.在壁面附近实施了无滑移边界条件,在流动方向实施了周期性边界条件.计算中对每一颗粒子施加重力,从而驱动整个流体流动.计算结果表明,流体充分发展的速度分布与基于N-S方程的数值模拟结果一致.并行计算结果表明,DPD很适合于并行计算.与每个节点所处理的总的粒子数目相比,只有少数粒子参与通信,因此能够获得较高的并行效率.当节点数目为18时,并行效率仍然在80%以上.     

气升式环流反应器内气液两相流动计算流体力学的模拟

采用欧拉-欧拉两流体模型模拟了气升式环流反应器内部气液两相流动过程,考察了液相速度和气含率随表观气速的变化,液相速度和气含率模拟值的关系与两种经验关系式的计算值进行了比较,两者取得了很好的一致,证明了模型的正确性。在此基础上,使用计算流体力学模拟的方法考查了反应器内的导流筒直径和导流筒高度对反应器内两相流动的影响,导流筒直径增大,液相循环量增大,上升段气含率增大;导流筒位置升高,液相循环速度和循环量均增大,上升段气含率减小。所获得的结果对气升式反应器的设计优化具有指导意义。     

拟塑性流体三维流动的高精度有限体积算法

以拟塑性流体为研究对象,针对剪切应力与剪切速率的非线性关系给数值计算带来的困难,提出了一种适用于拟塑性流体三维流动的高精度有限体积算法。采用幂律模型作为拟塑性流体的本构方程,通过给定非均匀的初始速度场和限定表观黏度数值变化的范围,消除了应力计算时可能出现的"零障碍"和"无穷大障碍"奇点问题。计算了长直方管和大曲率弯管中拟塑性流体的层流流动,验证该计算方法在幂律流体三维流动数值模拟中的可靠性。长直方管计算结果中给出了不同流动指数的摩擦因子系数和广义雷诺数之间的关系,与前人的实验数据和数值研究结果均吻合良好。