涡流工具中液滴受力分析与工具角度优化

涡流工具可以改变井下流场流态,是一种新型排水采气技术。螺旋角度对井下流场状态起决定作用。安装涡流工具的井筒流动与常规气井不同,为此对采气井筒中液滴进行受力分析,分析液滴所受到的重力、浮力、离心力、Saffman力、Magnus力等典型力的作用效果并探讨力的成因,建立液滴运动方程,在对不同力的量级进行比较后,对方程进行简化,最终求解得到最佳螺旋角的数学公式。最后采用数值模拟和现场生产数据对比的方式,验证求得数学模型的可靠性。     

气井中涡流工具携液携砂效果模拟

为了解涡流工具同时携液携砂时流体的流动规律、压力分布、携液携砂效率、影响因素以及工作特性,对流体在涡流工具中的流动进行仿真模拟。对不同结构参数螺旋叶片的槽宽和槽深进行了组合,并对其作用效果进行仿真模拟,得到了涡流工具同时携液携砂的优化结构模型。分析了不同入口速度、气液比、砂粒直径下涡流工具对固相和液相的携带作用。结果表明:气井出水有利于气井携砂,气井含砂会影响涡流工具对液体的离心作用,但对气井的携液能力影响不大;相同工况下,液体更容易被携带流出;入口速度越大气井携液效果越好,入口速度变化对气井携砂的作用呈不规律变化;涡流工具可以降低气井携带固液两相的临界流速;砂粒直径越大涡流工具对固体和液体的携带作用均越小。     

旋流条件下的气液环空流流动规律研究

针对涡流工具排液效果的问题,开展了旋流条件下气液两相流动模型的研究。考虑到旋流中角速度的存在,研究中采用气液流动在径向和周向上的动量和角动量平衡的方法,建立了气液流动控制方程,计算了液膜厚度,气液相旋流强度等参数以及压降梯度,并进行涡流工具实验验证模型。涡流工具降低压降损失的机理结果表明,安装涡流工具后流动压降可以降低5%~20%。根据实验及模型,在低速（气相速度小于13 m/s）时,小旋流角和高旋流强度更利于降低压降,而高速（气相速度大于16 m/s）时,高旋流强度会增加额外摩擦阻力。旋流强度的衰减速度会随着液相速度增大而减小,而随气相速度增大而增大。该研究结果可对涡流工具进行优化设计,以达到最佳排液效果。     

双液滴撞击液膜的流动过程研究

通过建立二维数值模型对双液滴同时撞击液膜的动力学特性进行研究。采用VOF方法捕捉气液两相交界面的演化过程。主要探究了双液滴撞击液膜的流动过程,分析了流动过程中速度分布和压力分布随时间的变化情况。结果表明,双液滴撞击液膜时,不仅存在自身撞击液膜的流动现象,液滴之间还会产生相互影响。     

两相格子Boltzmann方法的液滴冲击流动液膜数值模拟

基于最新的两相格子Boltzmann模型(Lee模型)在数值方法上进行了改进,进一步提高了模型在大密度比下的数值稳定性。基于改进后的模型首先研究了二维液滴冲击静止液膜,计算得到的溅射根部铺展半径与实验结论一致吻合,从而验证了改进后模型的正确性。进一步数值模拟了液滴冲击流动液膜的溅射过程,考虑了不同的液膜液滴速度比和液膜相对厚度对流动过程的影响。计算结果与冲击静止液膜的计算结果和实验结论进行了对比,总结了溅射过程中溅射铺展半径和溅射高度随时间的变化规律,论述了流动现象产生的内在机理。     

气藏水平井连续携液理论与实验

在气藏水平井中随着生产管柱倾斜角度的变化,井筒内液体的重力作用会发生改变,从而引起气液两相流型的变化。以产气为主的气井井筒内液体主要以液膜、液滴的形式出现,由此出现了液滴模型与液膜模型两种解释积液的理论。从这两种携液理论出发,考虑生产管柱倾斜角度的影响,对倾斜管内液滴、液膜进行受力分析,推导出了随管柱倾斜角度变化的连续携液临界流速的计算式,使之适用于水平井连续携液临界流量的计算。设计制作了水平气井连续携液实验装置并进行了实验研究,观测气藏水平井中气水两相运动与流型变化情况并测试其临界携液气量,结果表明,气藏水平井中水平井段的液体以液膜携带为主,但直井段中越接近井口,越以液滴携带为主,液滴模型也能适用于计算气藏水平井的连续携液临界流速。     

井下涡流工具结构参数优化

涡流工具的作用是将气液进行分离,气液分离效果越好,涡流工具作用效果越好,为了提高气井涡流工具排液采气工具的工作效率和使用效果,进行了涡流工具的结构参数优化研究。运用SolidWorks和Fluent流体模拟软件,建立了涡流工具气液两相流场模型。从液相分布、切向速度、轴向速度三个角度分析螺距、导流叶片高度、内径、导程倍数、叶片数对涡流工具作用效果的影响,通过正交试验分析最优的涡流工具参数组合。结果表明,当涡流工具参数为：内径54mm、螺距200mm、叶片高度20mm、1倍导程、单叶片时,涡流工具作用效果最好。研究结果可以为现场涡流工具的优选和使用效果的提高提供依据。     

Numerical simulation for gas and liquid particles flowing rule in spray fluidized drying process

采用CFDesign进行干燥塔喷雾流化干燥模拟实验,分析干燥塔内气液两相流动特性与规律.简述CFDesign的性能与干燥塔模型,进行了干燥塔内气相速度场、压力场、应力场、涡流场、能量场的模拟实验;以及液滴速度场、速度场、压力场和运动轨迹的模拟实验;由实验获得的分布图与数据分析,得到气相速度、应力、压力大小与搅拌转速成正比,液滴在中心轴线和边界具有较大的速度等分布规律.     

水平管外液膜液滴作用下的蒸汽流动特性

为研究水平管外液体和气体相互作用下的两相流动特性,选择蒸发器中广泛应用的转角正方形排列管束为物理模型,采用流体体积函数(VOF)方法追踪气液界面,提出液体在管间以液滴形式存在的模型假设,结合管间空隙率数据来初始化水平管外液膜厚度和液滴直径,模拟蒸汽在管外液膜和管间液滴作用下的流动过程,分析气液两相的压力场和速度场.结果表明:小喷淋密度下,进出口压降计算值和实验吻合良好;在计算域内,下部区域压力值高于上部区域,且最小压力分布在液滴附近的右下侧区域;压力分布的不均会造成液滴在下落过程中的变形.     

双进气道柴油机可调涡流进气道匹配规律

研究双进气道柴油机进气道的涡流比和流量系数对进气涡流调节规律的影响.在稳流气道实验台上,对两种典型的双进气道柴油机的切向气道、螺旋气道的进气流动特性和进气涡流调节特性进行试验,采用横挡板遮挡切向气道入口方式调节进气涡流.试验结果表明,在一定范围内,涡流比和流量系数之间存在线性折中关系.通过数学公式的推导和分析可知:在对柴油机的两个进气道进行匹配时,如果要拥有良好的进气涡流可调性,被调进气道流量系数应取较大值,涡流比应取较小值,不调节进气道的涡流比应取较大值.     

液滴撞击液膜喷溅过程的LBM模拟

气液两相流动现象广泛存在于自然界和工程应用中,而液滴撞击液膜后产生喷溅的过程则是这一类问题的典型代表.采用格子Boltzmann方法（LBM）对上述过程进行了数值模拟.采用基于“单相”（single-phase）模型的LB两相流方法计算得到了3组Reynolds数（Re）和Weber数（We）组合下液滴撞击液膜后所产生的3种效应.结果表明,随着We数和Re数的不断增大,液滴撞击液膜后将产生铺展、喷溅以及喷溅并伴有小液滴脱落等不同现象,计算所得的结果与实验及理论分析的结果相吻合,表明了LBM研究气液两相流动问题的可行性.     

考虑入流角的水平井筒混合损失模型

对水平井的孔眼入流处的微元段进行了流动分析,根据气、液两相的连续性方程、动量方程和能量方程,在相间不存在传质和等温稳态流动等条件下,得到了气、液两相的混合损失计算模型。根据得到的模型,计算了不同入流角条件下水平井筒混合损失的值,结果表明:入流角对混合损失的影响较大,在不影响产量等条件下,应尽量采用小于90°的入流角,有利于减小井筒的压降。本模型对改变传统的射孔方式、鱼刺型分支井和压裂水平井的研究具有一定的指导意义。     

变通道涡流室式燃烧室气体流动的分析

分析了变通道涡流室式燃烧室和涡流室式燃烧室气体流动的差异，以及变通道涡流室式燃烧室通道结构参数对流动损失的影响；根据计算与试验结果，提出了变通道涡流室式燃烧室通道结构参数的最佳取值范围，研究表明，变通道涡流室式燃烧室的气体流动特性有利于加快油气混合与燃烧的进程，减少流动损失，从而获得比常规涡流室式燃烧室更高的热效率。     

新型动静压转台性能分析及参数优化

以一种新型动静压转台为研究对象,通过理论和实验的方法分析了转台承载特性,并提出了以动压承载能力为目标的螺旋楔形织构几何参数优化设计方案.首先建立摩擦副物理模型并数值求解控制方程,计算液膜压力分布和部分润滑性能,并通过试验验证仿真结果.以动压承载力作为目标函数,通过分析楔形织构几何参数对目标函数的影响,以螺旋角、楔深和楔数为设计变量建立优化模型.为寻求设计变量的最优组合,使用布谷鸟搜索算法进行全局寻优并总结不同工况下的最优解规律.与原始几何参数下的转台对比,优化后的转台动力学性能得到了一定的改善,印证了文中优化方案的应用价值.     

喷气涡流纺旋转气流场及纱体运动的数值模拟

对喷气涡流纺喷嘴内的高速旋转气流场进行分析研究,并在此基础上研究纱体在该气流场中的运动。对喷气涡流纺喷嘴及纱体分别进行三维建模,采用Realizable κ-ε模型求解高速旋转气流的湍动特征,采用壁面函数法对近壁区域的流动进行求解,采用三角形插值法对纱体运动进行求解。实现对喷嘴内高速旋转气流的动力学特性及纱体运动的三维数值模拟分析,揭示喷气涡流纺纱过程中喷嘴内高速旋转气流的流动规律、湍动现象及纱体的运动情况。模拟结果表明:气流速度在喷孔出口处最大,且气流区域各截面的径向速度均为正值,这有助于自由端纤维的形成和纱强力的提高;喷嘴内气流区域各截面有不同程度的不规则湍流涡存在;温度在喷气孔的出口处最小;喷嘴内气流的静压值大部分为负压且小于外界大气压强;喷气孔气流流线进行较为规律的旋转运动,而喷嘴入口气流流线较为复杂,并有回流现象;纱体在喷嘴高速旋转气流场中运动时会产生较大的位移和弯曲,而产生的扭转相对较小,几乎没有伸长。     

油-气-水三相流水平井携液临界气量计算方法

川西中浅层水平井不同程度产液,当气井积液时,需实施泡排等工艺技术排液后才能稳产,而判断积液最简单的方法是计算气井携液临界气量,气井携液临界气量计算常用液滴或液膜模型,此两种模型均基于液滴或液膜反转作为判断积液标志而建立,应用结果与实际符合率较低。针对以上问题,开展了水平井积液规律模拟实验及相关模型研究,结果表明,液滴或液膜反转时,井筒均未积液,以液滴或液膜反转判断积液建立的模型计算的积液时间比实际偏早,进而基于实验现象,分析气体带液能力,建立新的气井积液判断标准;倾斜段携液临界气量随井斜角度的变化先增加后减少,40°时携液临界气量最大;基于实验测试数据,考虑含油率、井斜角对携液临界气量的影响,建立了携液临界流量计算模型,应用于中浅层水平井油—气—水三相流井筒积液判断,符合率91.4%,在同类气井具推广应用价值。     

雾滴内部流动及二氧化硫吸收过程的数值模拟

喷雾烟气脱硫过程中液滴在流场中运动时,在表面剪切力的作用下形成内部循环流动,影响液滴内部传质特性,进而影响雾滴吸收SO_2的过程.以单个悬浮液滴为研究对象,采用VOF(volume of fluid)方法计算了不同雷诺数下雾滴内部流动特性和SO_2气体在水雾雾滴内部的扩散,探讨了不同雷诺数下雾滴表面的速度分布以及雾滴内部循环流动对雾滴内部SO_2浓度分布的影响.数值计算结果表明:气流流场中的液滴与气流存在相对运动时,在表面剪切力的作用下液滴内部会产生2个相互对称的涡流,涡心距离液滴中心的距离为2/3R_d,涡流速度随着雷诺数的增加而增大.雾滴对SO_2的吸收过程受到2种机理的控制:一种是在浓度梯度推动下向雾滴内部的径向扩散;另一种是雾滴内部循环流动诱发的扩散传质.通过SO_2在雾滴中径向扩散时间与涡流形成的特征时间、内部循环流动诱发SO_2传质的特征时间的对比,表明在雾滴内部,循环涡流流动对吸附传质过程具有重要的影响,随着雷诺数的不断增加,雾滴内部循环流动对SO_2传质影响逐渐增大.     

高压电场作用下油中液滴变形与极化

常采用圆球模型研究高压电场作用下油中液滴的极化特性,对于变形液滴的极化特性研究报道较少;针对变形液滴,建立椭球液滴模型,运用椭球坐标系得到电场中长球形液滴内部电场分布,进而研究液滴变形对其极化特性的影响;通过算例计算分析,表明液滴大变形对极化影响较大,椭球模型在研究电场破乳动力学方面优于圆球模型。     

柴油机气道进气流动特性及进气门杆形状对其影响分析

建立某RD190柴油机螺旋进气道稳态CFD模拟计算模型,对其流动特性进行研究,分析得到了气道流量系数和涡流比、柴油机的外特性结果,并采用CFD模拟分析了进气门杆形状对进气流动的影响.研究结果表明:随着截面比的增加,平均流量系数和平均涡流比均为先增大后减小,当截面比在0.28~0.30时,进气道平均流量系数相对原方案值变化不大,而平均涡流比最大增加了9.98%.     

导流叶片数量及排布方式对涡流工具性能的影响

为了从导流叶片数量及排布方式两方面对涡流工具结构进行改进,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了不同导叶数量及排布方式下涡流工具下游流场速度分布、压降动态和旋流强度衰减特性。结果表明:环形排列方式下,涡流工具下游流体平均切向速度随导流叶片数量的增加而增大,流体压力梯度和旋流强度衰减速率随导叶数的增加而减小,连续排列方式则正好相反。12叶片环形排列式涡流工具下游流场压力梯度和旋流强度衰减速率均小于单叶片涡流工具,可尝试将目前常用的涡流工具改进为12叶片环形排列式涡流工具。