水平管道中浮游界限速度研究

在前人的理论和研究成果的基础之上，利用动量守恒所建立的清水速度、固体颗粒速度和浆体流速之间的关系。通过分析水平管道中推移质与悬移质组成的几何关系。对于水平管道中推移质与悬移质的之间比例与平均流速之间的关系进行了深入的研究，得出推移质与悬移质与平均流速之间的关系式，确定了管道输送中的重要系数K4和浮游界限速度VB，通过实验资料验证符合良好。     

水平管道内沉降性浆体速度分布的研究

从分析固体颗粒加速期间清水与固体颗粒的速度变化入手，研究了管内清水搬运固体颗粒的机理，提出了计算水平管道内沉降性浆体速度分布的新方法。     

膏体料浆管道输送中粗骨料颗粒运动规律分析

为分析粗骨料膏体料浆在管道输送时因剪切诱导作用而使粗骨料颗粒产生的相对运动,以全尾砂膏体料浆能够限制尾砂颗粒的沉降运动为出发点,将全尾砂膏体料浆视为伪匀质悬浮液,将不具有流变活性的粗骨料颗粒视为被承载固体。依据粗骨料膏体管道输送时的流速分布特性,构建具有剪切流动区与非剪切流动区的复合流动模型。通过宏观颗粒模型MPM研究粗骨料颗粒的运动规律,分析粗骨料颗粒在X轴、Y轴和Z轴方向上的位移与线速度。研究结果表明:粗骨料颗粒在剪切流动区域内存在较明显的径向偏移与轴向差速运动,粗骨料颗粒在剪切流动区域内发生相对运动的主要原因为径向的流速梯度引起颗粒的自旋转。通过数值计算结果与理论分析的对比,说明复合流动模型描述粗骨料颗粒运动的可行性以及相对运动原因的可信性。     

沉降性浆体倾斜管道浓度分布的研究

首先推导了流体在倾斜管道中的速度分布模型,在此基础上,从固体颗粒在管道中的三种运动状态出发,提出了倾斜管道沉降性浆体浓度分布的计算模型,并用相关实验结果对所提出的模型进行了简单的验证。     

充填料浆沉降规律研究及输送可行性分析

通过分析充填料浆在管道自流输送系统中的运动形式与充填骨料固体颗粒的沉降规律,得知充填料浆能否稳定地输送到采空区跟输送速度及水平管道的长度有关。结合孙村煤矿的煤矸石似膏体充填料浆的特点,利用Fluent流体分析软件对料浆的管道输送过程进行了模拟,并从理论上分析了以煤矸石作为主要骨料的似膏体利用管道自流输送的可行性。模拟分析表明,料浆的自流压差能够克服在管道自流输送过程中的沿程阻力损失,并且在3.82m/s的水平管道输送速度下,料浆垂直脉动速度分量38.3cm/s大于煤矸石的干涉沉降速度0.99cm/s,因此,似膏体能够自流输送到采空区。     

浆体颗粒粒径对浆体管道输送压力损失影响

为解决准确计算浆体管道输送压力损失的问题,采用数值模拟的方法,研究了不同粒径的浆体颗粒对压力损失的影响,提出了浆体中颗粒粒径与管道输送压力损失的关系模型.结果表明:不同粒径颗粒的浆体对压力损失的影响是不同的.该模型能准确地预测浆体管道的压力损失.     

水平管道中粗颗粒浆体摩阻损失的研究

水平管道粗颗粒浆体阻力损失的研究在矿业工程方面很有实际意义,而目前这方面的计算模型大多还不完善.为了选择合适的摩阻损失计算模型,基于前人的实验数据,采用同类比较法对目前三家具有代表性的粗颗粒浆体管道摩阻损失计算模型进行了探讨,发现三家公式都存在随着固体颗粒粒径和浓度的增加,误差都有增大的趋势.Newitt的缺点在于缺少浓度考量;Durand公式误差来源于重力理论的不足,许振良公式的不足在于相关参数取值.     

天然气水合物开采管道水力提升数值仿真分析

针对天然气水合物深海开采系统中管道的水力输送过程分析以及参数选择等问题,提出此系统的垂直提升硬管中管径、浆体流速、矿物密度、颗粒粒径和体积分数各参数及其范围,列出14种方案并以上述参数为依据划分为4组,基于FLUENT软件中的Eulerian模型,采用SIMPLE算法和标准k-ε湍流模型对上述方案进行数值仿真和分析。研究结果表明:颗粒在垂直管道入口附近处体积分数高,往出口方向体积分数降低,且颗粒向中心聚集;浆体流速为中心区域大,略大于浆体进口流速,管壁附近小,接近于0 m/s;由压力损失、阻力损失与效率的关系,结合仿真数据分析得到的最优方案是管径为300 mm、浆体流速为1.65 m/s、矿物密度为1 190 kg/m~3、颗粒粒径为10 mm、体积分数为25%;在一定范围内,管径大、流速低、矿物密度小、颗粒粒径小、体积分数高对于天然气水合物管道水力提升有利,矿物密度对输送系统影响最大、颗粒粒径对输送系统影响最小,对工况的选取提供理论依据。     

固-液两相流充填管道输送冲蚀磨损数值研究

 为探究充填管道在输送过程中的冲蚀磨损机理, 基于工程流体力学理论及颗粒输送力学模型, 引入离散颗粒轨道模型、塑性冲蚀磨损模型, 对某矿山复杂充填管路条件下浆体特性对管道冲蚀磨损影响进行研究。结果表明, 浆体流速、黏度以及颗粒尺寸对管道冲蚀磨损影响显著, 颗粒形状影响较弱。高流速下, 弯管磨损最为严重, 直管段磨损较轻且分布较为均匀, 流速降低, 主要磨损部位偏向弯管出口部位;弯管部位最大磨损值在15°~30°以及60°~75°之间;此外, 粒径较小时, 磨损严重程度随粒径增加而增大, 粒径达到600 μm 后, 最大磨损值随粒径增加呈现下降趋势。     

含固体颗粒竖直弯管段塞流/乳沫状流冲蚀速率预测

气液混输管道中流体流动复杂,流体对管壁冲刷严重,管道中含有固体颗粒极大地加剧了管内介质对管壁的冲击,极易造成管道冲蚀破坏。为研究含固体颗粒管道在段塞流/乳沫状流下的冲蚀速率,提出一种基于段塞体颗粒分布的冲蚀计算方法,在Eulerian坐标系下求解气液混合相连续相流场,Lagrangian坐标系下求解颗粒离散相运动轨迹,利用Oka,et al冲蚀模型及Grant和Tabakoff颗粒-壁面碰撞模型计算管壁冲蚀速率。结果表明:提出的CFD冲蚀计算模型计算结果与实验值最接近,且与Chen等的简化计算方法相比,精确度有较大提高;竖直弯管段塞流/乳沫状流中的固体颗粒主要位于段塞体和液膜中,段塞体和液膜中的固体颗粒分布不均匀,段塞体中固体颗粒含量较多;固体颗粒在段塞体中的分布系数约为0.827。     

水平管道内冰浆流体阻力特性CFD模拟

以水平管道内冰浆流体无相变流动过程为研究对象,运用计算流体力学（CFD）为工具,采用两相流双流体模型,研究了管道内冰浆流体阻力特性.结果表明,沿管道流动方向冰粒子浓度场滞后于其流场的充分发展.当存在湍动时,颗粒动力学理论模型可以很好地描述冰粒子间的剪切作用.当流动为层流时,基于Thomas方程的反推黏度模型的模拟效果优于前者.若浆体输送速度进一步降低,需对冰粒子间的剪切效应进行分段考虑.     

水平气井井筒气液两相流型预测

准确判断产水水平气井井筒流型是预测其井筒压降、合理制定排水采气方案的关键。水平井沿流向井斜角从90 °到0连续变化,目前尚无描述水平井两相流动的统一流型图,只能分别采用描述水平管、倾斜管和垂直管的3个流型图来分段处理,各流型图实验条件差异大;且产水气井日产水量极小,气液比极高,易超出工程常用气液两相管流流型图的坐标值范围,导致其预测结果误差大。为此研制了水平段-倾斜段-垂直段的水平井空气-水两相流动模拟实验装置,考虑产水气井特高气液比的特点开展了7组管斜角641组水平井气水两相管流流型实验,归纳水平气井的5种流型及其典型特征。引用Duns&Ros定义的无因次气液速度准数,增加管斜角为X轴,绘制了描述水平气井气液两相管流的三维流型图,给出了BP神经网络模型预测水平气井井筒流型的方法。川西气田20口水平气井测压数据验证表明,该流型图预测正确率达90%。     

导流片对90°矩形弯管内粒子沉积的数值分析

采用数值模拟的方法研究分析了工程中常用的水平弯管在设置导流片与否的情况下,管内气流特征和粒子在其内壁面的沉积规律。结果表明,导流片的设置使管道流场更加均匀,不同风管尺寸和管内流速时,弯管内粒子沉积速度的空间分布相似。内侧内壁面粒子沉积速度与风管宽度、管内流速均呈正相关;外侧内壁面粒子沉积速度随风管宽度增加而减小,随管内流速增加而明显增大。利用模拟的64个工况数据,提出了4类弯管内、外侧内壁面平均粒子沉积速度预测公式,为预测弯管内壁面沉积量、确定风管清洗必要性提供了理论依据。     

水平管段高压超浓相煤粉输送特性的数值模拟

在充分考虑气固两相相互作用的基础上,利用修正后的κ-ε湍流模型对以CO2为输送介质的高压超浓相煤粉气力输送进行了数值模拟.对于固相体积分数高达25％的高压超浓相煤粉气力输送,采用该模型模拟一体化管道(垂直管、弯管、水平管连接在一起),获得了水平管段中不同粒径的颗粒在截面上的速度分布、浓度分布,以及不同表观气速下水平管段中固相的径向浓度分布.模拟结果表明,在相同的输送条件下,大粒径煤粉的速度较低,更容易在水平管道沉积;煤粉粒径相同时,表观气速较大的颗粒在沉积区的浓度分布较小.将模拟结果与相同试验条件下的水平管电容层析成像(ECT)结果进行了对比,验证了本文模拟结果的正确性.     

水平圆管内油气两相流分层流向段塞流转变机理的实验研究

根据气液两相流一维波模型建立分层流向段塞流转变的判别准则,对水平管内气液两相流出现段塞流时的各相临界表观速度进行了理论预测,并对流型转变进行了分析.理论计算中,主要考虑了两相流体和管壁之间的摩擦和气液相界面之间的摩擦对流型转变的影响,并结合分层流理想化模型分析了发生流型转变时的临界参数.在内径分别为40 mm和50 mm的水平管道油气两相流实验系统中进行了流型转变实验,所获实验数据处理结果与理论计算结果进行了对比.对影响流型的管径、流速等因素的分析结果表明,该模型较好地预测管内分层流向段塞流的转变.     

垂直管流中食品颗粒速度分布的实验研究

用数码录像方法对颗粒的轴向速度和径向位置进行了测量，获得了单个颗粒在垂直管流中的速度分布。考虑到非球形颗粒和数甲基纤维素(CMC)溶液的非牛顿性，对有关文献中颗粒阻力系数计算的关系式做了修正。理论计算结果与实验滑移速度比较表明，在靠近管道轴线的径向位置模型的计算与实验结果很接近。同时，讨论了颗粒尺寸和流体流量对颗粒速度分布的影响。     

页岩气钻井岩屑运移规律仿真分析

页岩气水平井钻井过程中岩屑在重力作用下极易在斜井段及水平段中沉积形成岩屑床,清洁难度大,进而导致井底高摩阻、高扭矩和阻卡,严重时造成卡钻、钻具断落井下安全事故。基于液固两相流理论,建立了三维井眼环空岩屑运移模型,通过控制变量法分别分析了钻杆转速、排量、岩屑粒径、偏心度、井斜角度等因素变化对环空井筒岩屑体积分数及运移轴向速度的影响规律。研究结果表明：随着转速和钻偏心度增大,岩屑体积分数降低及轴向速度增大;随着岩屑粒径增大,岩屑体积分数增加及轴向速度降低;随着井斜角降低,岩屑体积分数降低及轴向速度增加。可见提高转速、钻井液排量和控制钻头破坏岩屑粒径大小有利于提高井眼清洁,降低井下安全事故。     

不同管径水平管油气两相流压降模型

为得到准确的不同管径水平管气液两相流的压降预测模型,用5号白油和空气在内径为40、60、75 mm,长11.5 m的测试管内进行了水平管气液两相流实验,并结合理论分析研究了不同管径水平管气液两相分层流和环状流压降模型。结果表明:相同气、液量条件下,压降随着管径的增加而减小,且管径对压降的影响较大。结合实验中观察到的流型,分别建立了水平管层流和环状流的压降计算方法,其中层流压降模型中的液相折算系数和环状流压降模型中的气液界面摩擦系数均考虑了管径的影响,新方法对不同管径条件下实验压降预测准确,整体平均绝对误差为6.4%。     

水平管内气液两相流影响滑脱损失的实验研究

为了探究滑脱损失在气液两相流中对压降存在的影响,从而进一步减小滑脱带来的损耗,本文通过利用多相流实验设备,采用水-空气为流动介质,对水平管条件下的气液两相流中的滑脱损失进行了实验研究。在采用杜克勒Ⅰ法无滑脱压降模型的理论基础上,结合实验所得数据,利用滑脱密度、滑脱压降和滑脱压降比三个参数分别对不同管径、不同液相表观流速以及不同气液比条件下的滑脱损失进行了分析。结果表明：在相同气体表观流速条件下,最大滑脱损失会随管径的增大而增大;当气相表观流速一定,液相表观流速越大时,滑脱损失在管线的整体压降中产生的影响越大;在液体表观流速不变,气液比改变时,可根据滑脱压降大小判断滑脱损失影响;水平管中滑脱损失变化与滑脱密度之间没有明显的关联性;水平管中段塞流型相较于层状波浪流会产生更大的滑脱损失。以上结论可为工程设计、实践提供参考。     

充气欠平衡钻井水平段环空岩屑运移规律实验研究

基于气-液-固三相流理论以及相似理论和量纲分析原理,自主设计并研制了一套水平环空多相复杂流动物理模拟实验装置。该装置可实现对常规或低密度钻井液携岩环空复杂流动的可视化物理模拟。利用该装置开展了充气欠平衡钻井水平段环空岩屑运移物理模拟实验;并针对气液体积流量比、钻杆旋转与偏心等因素对岩屑运移的影响规律进行了深入的研究。结果表明,对岩屑运移起主导作用的是液相流量,气液体积流量比对岩屑运移的影响相对较小,钻杆偏心或旋转对岩屑运移的影响具有不确定性;但在钻杆处于偏心位置时旋转钻杆,最有利于岩屑的运移。