考虑稀薄效应的页岩视渗透率研究

页岩孔隙细小,页岩气在页岩孔隙中的渗流会受到稀薄、克努森扩散、滑移效应的影响。为了表征页岩中气体渗流能力,在考虑稀薄效应对气体黏度影响的基础上,对气体质量通量方程进行了修正,得到了考虑稀薄效应、克努森扩散、滑移效应和孔隙壁面粗糙度的视渗透率计算模型。研究表明,当温度一定时,考虑稀薄效应影响的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着压力的降低而减小。当压力一定时,考虑稀薄效应的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着温度的增加而增大。当温度和压力都恒定时,考虑稀薄效应的页岩视渗透率比不考虑稀薄效应的视渗透率大,两者间的差值随着孔隙半径减小而增大。     

纳米高度工作磁头的稀薄区域与稀薄效应分析

利用考虑稀薄气体效应修正的Reynolds方程对飞高在10nm附近的负压磁头的稀薄区域进行了数值计算.根据计算结果对其所处的稀薄区域和稀薄效应对磁头飞行性能的影响进行了分析和讨论.分析结果表明:磁头工作在滑流区和过渡区,并随着速度增加明显向过渡区移动;稀薄气体效应最大处不是发生在飞高最薄的尾部,而是发生在飞高较薄、压力较低的边缘区;考虑稀薄效应对载荷和最大压力有所降低,而对最小压力的影响较小.     

不同热边界条件下微通道内气体的流动与传热特性

构建了微尺度条件下含黏性热耗散和压力功的总能形式的双分布函数格子Boltzmann(LB)模型,计算并分析了恒壁温与恒热流边界条件下,稀薄效应对速度驱动的平直微通道内气体流动与传热特性的影响.结果表明:在不同的热边界条件下,稀薄效应对微通道内气体流动特性的影响一致,即均使得气体流速增大,通道摩擦系数减小;由于气体温度场分布的差异,使得稀薄效应对气体传热特性的影响截然不同,在恒壁温边界条件下气体传热特性有所提高,而在恒热流边界条件下气体传热特性有所减弱.     

气体稀薄效应对微机电系统(MEMS)气体轴承-转子系统不平衡响应的影响

为研究气体稀薄效应对微机电系统(MEMS)气体轴承-转子系统不平衡响应的影响,给出了MEMS气体轴承-转子系统运动方程和MEMS气体轴承的雷诺方程;利用双向隐式差分算法,给出了修正雷诺方程的详细数值求解过程;将转子运动方程与雷诺方程相结合,采用4阶龙格-库塔方法计算分析了气体稀薄效应对气体轴承-转子系统不平衡响应的影响。研究结果显示,考虑气体稀薄效应后,当质量偏心距较大时,MEMS气体轴承-转子系统的失稳轴颈转速较大,表明合适的偏心质量有助于改善系统的稳定性;在相同的质量偏心距下,考虑气体稀薄效应时气体轴承-转子系统在较低轴颈转速处出现峰值,表明此时不平衡偏心质量对气体轴承-转子系统运动的影响增大。     

粗糙微通道内稀薄气体流动与换热的蒙特卡洛直接模拟

采用Delaunay三角化方法对计算区域进行网格划分,开发了适合于非结构化网格的蒙特卡洛直接模拟程序,并对程序的正确性进行了验证.在此基础上模拟分析了粗糙元为三角形的平行平板间微通道内稀薄气体的二维流动与换热.通道进出口压力固定,上下平板温度恒定.计算分析了粗糙元高度、宽度以及分布密度的影响.结果表明:微通道内粗糙元对流动与换热有明显的扰动;随着粗糙元的变大,速度跳跃显著,甚至出现漩涡,增加了通道内的压力损失;但粗糙元增强了微通道壁面与气体之间的换热.     

双层板内插微穿孔板的隔声性能

提出一个在双层板内插入微穿孔板的隔音结构,微穿孔板与双层板平行,把双层板间的腔体一分为二.对结构建立全耦合的数值模型,微穿孔板与双层板均为有限大板,考虑边界条件,计算得到结构的声传播损失.通过实验对所建立的全耦合数值模型进行验证,计算结果与实验结果符合较好.对微穿孔板的位置、穿孔率、板厚以及微孔孔径进行数值计算研究.计算结果表明:相对传统的双层板或者无微穿孔板的三层板结构,内插了微穿孔板的双层板结构在低频的声传播损失效率有所提高;通过适当的微穿孔板参数设置,该结构可以在低频达到较好的隔声效果.     

长微圆管道气体流动的简化计算

从N－S方程出发,考虑稀薄气体效应,推导出长微圆管道中压力驱动的可压缩气体流动的简化控制方程组;采用迭代方法求解此方程组,得到了流动的速度分布、密度分布、质量流量;并分析了影响流量的因素。     

微气体螺旋槽推力轴承-转子系统非线性动力学分析

基于分子气体膜润滑模型探讨微气体螺旋槽推力轴承中的稀薄效应,将广义雷诺方程与运动学方程在时域内耦合并采用直接数值模拟方法联立求解,获得了任意时刻微转子的瞬态位移和速度响应,考察了气体稀薄效应以及不同螺旋槽结构参数对微气体螺旋槽推力轴承-转子系统非线性动力学行为的影响,并得到不同转速对应的轴向扰动临界值.结果表明:考虑稀薄效应时微轴承-转子系统显示出更好的稳定性;转速增加,轴向扰动临界值降低;能提高微轴承承载力的最佳螺旋槽结构参数,并不利于提高微系统的稳定性.     

求解滑移流区外掠圆柱体气流流动与传热特性的数值模型

为了更精确地求解滑移流区稀薄气体外掠圆柱体流动与传热问题,基于有限容积法的ANSYS FLUENT平台提出了一种滑移边界修正的数值模型,该模型考虑了完整的一阶速度滑移和温度跳跃,其中一阶速度滑移包括了轴向温度引起的热蠕动影响和壁面曲率影响。将模型计算值与实验数据进行了充分对比,结果表明:当气体流动处于连续流区时,滑移边界修正模型与无滑移边界直接模拟计算误差很小;当气体流态处于滑移流区时,采用滑移边界修正模型可实现对该流态气体流动与传热的精确预示(相对误差在±2.5%);稀薄效应对低压气体外掠圆柱体的流动特性影响显著,随着克努森数增加,最大无量纲滑移速度呈线性增加,而最大表面摩擦系数呈线性降低。本文方法可广泛应用于工程之中,以探索低压气体的换热机理,为研究稀薄气体滑移流区流动与传热问题提供了一种有效的数值计算方法。     

求解滑移流区外掠圆柱体气流流动与传热特性的数值模型

为了更精确地求解滑移流区稀薄气体外掠圆柱体流动与传热问题,基于有限容积法的ANSYS FLUENT平台提出了一种滑移边界修正的数值模型,该模型考虑了完整的一阶速度滑移和温度跳跃,其中一阶速度滑移包括了轴向温度引起的热蠕动影响和壁面曲率影响。将模型计算值与实验数据进行了充分对比,结果表明:当气体流动处于连续流区时,滑移边界修正模型与无滑移边界直接模拟计算误差很小;当气体流态处于滑移流区时,采用滑移边界修正模型可实现对该流态气体流动与传热的精确预示(相对误差在±2.5%);稀薄效应对低压气体外掠圆柱体的流动特性影响显著,随着克努森数增加,最大无量纲滑移速度呈线性增加,而最大表面摩擦系数呈线性降低。本文方法可广泛应用于工程之中,以探索低压气体的换热机理,为研究稀薄气体滑移流区流动与传热问题提供了一种有效的数值计算方法。     

射孔套管应力集中系数有限元分析

建立了射孔套管的有限元力学模型,对不同孔径、孔密及相位角的射孔套管在外挤压力作用下的孔眼应力集中系数进行了有限元分析。旨在讨论非线性材料弹塑性范围内多孔情况下,对孔眼的应力集中系数及对管体抗挤强度的影响,为射孔套管应力集中及强度影响提供了详尽的数据,并给出了优化射孔方案。     

小型汽油发动机消声器设计研究

利用现有消声器设计理论,针对某款小型汽油发动机的消声器进行结构设计,应用仿真软件Fluent对该消声器的速度流场、压力场和温度场进行仿真分析,同时将该消声器结构中隔板穿孔孔径大小对消声器空气动力性能的影响进行了多组数据对比分析.仿真结果表明:消声器隔板穿孔孔径大小对压力损失影响较大,孔径过小,会引起较大的压力损失;而且孔径增加到一定程度后,压力损失的变化较小,此时,改变孔径大小来改变压力损失将没有多大的意义.通过优化设计,隔板穿孔孔径为6mm时压力损失最小,并对优化后的消声器进行实际噪声测试,结果表明,该消声器降噪效果明显.     

射孔套管剩余抗挤能力分析

套管射孔后其抗挤能力将有所降低。建立了射孔段套管弹性抗挤性能分析控制的一般方程 ,并利用摄动理论给出了射孔套管弹性抗挤能力系数的一般计算公式。利用弹塑性有限元方法确定了孔口附近塑性区随射孔套管的外压增加的变化规律 ,并给出了确定射孔套管抗挤能力的计算方法。研究结果表明 ,孔眼附近的应力集中所引起的塑性区的存在 ,明显影响了射孔套管的抗挤强度。与弹性分析结果比较 ,弹塑性分析结果更接近实验值。孔眼的形状对射孔套管抗挤能力有直接影响。长轴在环向的椭圆形孔眼的套管抗挤能力降低得最少 ,方形孔眼的降低得最多。在孔眼形状相同的情况下 ,孔眼面积增大 ,射孔套管的抗挤能力降低。当射孔密度小于 2 0孔 /m时 ,无论采用何种布孔方式 ,除方形孔眼外 ,套管抗挤能力的降低均不会超过 4 % ;大于 2 0孔 /m时 ,射孔参数对套管抗挤能力的影响明显增加     

筛管砾石充填井筒附近压降计算方法

认识到套管射孔砾石充填井井筒附近压降发生在 3个流动区域内 ,近井地带向射孔炮眼的汇聚流动区域 ,炮眼内砾石层的线性流动区域以及筛套环空砾石层中的发散流动区域 .以 Bernoulli压降方程为基础导出了计算向炮眼的汇聚流产生的压降的新方法 .以 Forchheimer方程为基础导出了筛套环空锥形发散流的压降简化计算公式 .结果表明 :井筒附近压降主要发生在汇聚流区域和炮眼内砾石层 ,而环空砾石层的压降相对较小 ;射孔参数及砾石渗透率是影响砾石充填井井筒附近压降的主要因素 ,砾石充填井应采用孔径大于 1 5 mm,孔密 30孔 / m左右的参数射孔 ,砾石层渗透率至少应保持在 30～ 40 μm2以上 .     

多段压裂水平井不均匀产油试井模型

针对某条或多条裂缝产油量较小或不产油这一问题,运用Green函数、Newman乘积方法和叠加原理,建立多段压裂水平井不均匀产油试井模型,将裂缝内流动划分为远离井筒的变质量线性流和靠近井筒的径向流表征裂缝有限导流,利用Stehfest数值反演得到考虑井筒存储和表皮效应的实空间井底压力解,绘制典型图版,并分析不均匀产油和裂缝参数对井底压力的影响。结果表明:多段压裂水平井均匀产油和不均匀产油的压力和压力导数特征差异明显;两端裂缝产油量越大,压裂裂缝间距越大,裂缝半长越小,裂缝呈纺锤形分布时,缝间干扰越小,早期径向流越明显,在系统拟径向流之前出现一个新平台。与试井软件Saphir中的经典多级压裂水平井数值模型对比,结果证明了提出的模型的正确性。     

裂缝性油气藏压裂水平井试井分析

利用Green函数源函数法,通过镜像映射和叠加原理得到裂缝性油气藏水平井多段压裂改造后地层中任意一点的压力解。首先推导顶底封闭四周无限大、盒状及定压条件下单条裂缝生产时地层中任意一点在拉氏空间的压力计算公式,并假设水平井井筒无限导流,进一步建立水平井多段压裂改造后井底压力求解方法。基于Stehfest数值反演得到考虑井筒存储和表皮系数影响的水平井井底压力解。对不同边界条件下井底压力及压力导数的双对数曲线进行分析,并分析压裂裂缝参数对井底压力响应的影响。结果表明:压裂水平井存在压裂裂缝线性流、压裂裂缝径向流、地层线性流、系统径向流及边界影响五种流动阶段;同时由于油藏为双重介质油藏,所以还存在基质系统向裂缝系统的窜流;裂缝条数越多,生产相同的时间时井底无因次压降越小,但当压力波传到边界后裂缝条数不再对流动造成明显影响;裂缝半长会影响压裂裂缝径向流出现的时间及地层线性流之前的压降,且压裂裂缝越长,压裂裂缝径向流出现的时间越晚,生产相同的时间所需要的无因次压降越小;裂缝间距会影响裂缝径向流结束的时间,且缝距越小,裂缝径向流持续的时间越短。现场应用结果证明了模型的正确性。     

不同形式导流屏导流效果数值模拟

导流设施可分为实体式和百页式2种类型。为了分析2种形式导流屏的导流效果,建立了飞机尾喷气流场的模型,分别模拟不同形式导流屏的导流效果。模型采用笛卡尔坐标系和结构网格,采用标准格式离散方程,采用SIMPLE算法来计算压力与速度的耦合。分析结果表明:设置导流屏导流效果明显,实体式屏若导流屏过高或过陡,并容易产生横溢气流;百页式导流屏让气流沿页板方向向后上方扩散,它对气流的阻力较实体屏小。     

棒式文丘里除尘器气液两相流阻力特性

为了掌握棒式文丘里除尘器内气液两相流的阻力特性,基于多相流理论,建立其三维CFD模型,研究分析棒间距、除尘风量和液气比对棒式文丘里除尘器阻力特性的影响,并建立了阻力预测公式以及三者之间的关系式.结果表明:文丘里棒层与下筒体的压力损失随着棒间距的减小和风量的增大呈幂指数关系增大,随着液气比的增大呈近线性增大;上筒体的压力损失与风量呈近平方关系;通过与实验数据对比,关系式最大误差为16.88%,验证了其有效性.     

收费站对高速公路交通流能耗的影响

【目的】为探讨电子收费(ETC)通道设置的必要性,研究高速公路收费站路段的交通流能耗模型。【方法】在元胞自动机NaSch交通流模型的基础上,针对单向单车道的收费站路段提出交通流的能耗公式,并数值模拟周期边界条件下车辆在收费站的滞留时间对交通流能耗的影响。【结果】车辆在收费站的滞留时间越长,道路上交通流的能耗值越小,对应的流量和平均速度也越小,交通堵塞现象就越早发生;人工收费站路段的交通流能耗比电子收费站路段的交通流能耗值小。【结论】人工收费站路段比电子收费站路段更容易发生交通堵塞现象。     

充气囊体材料撕裂及破裂后流场特性研究

通过实验的方法对囊体材料的撕裂特性和加强筋的止裂效果进行了初步的研究,并以飞艇为例利用数值模拟研究了囊体材料局部破裂后,破口处气体外泄的非定常流场结构及其演变过程.结果表明:囊体破裂后,裂纹快速扩展,通过合理地设计加强筋的强度和布局,并保证加强筋与囊体材料粘结牢固,可以起到良好的止裂效果;破口形成后,由于飞艇内外稀疏波和压缩波的作用,流场处于强烈的非定常状态,气体外泄的速度远小于裂纹的扩展速度,飞艇泻压所需时间和破口的尺寸有很大的关系,稀疏波在飞艇内的传播情况直接影响了泻压后内部压力的分布,稀疏波反射次数越多,压力分布越均匀.