裂隙介质两相渗流数值模拟研究

以离散裂隙概念为基础建立了离散裂隙型模型,该模型通过对裂隙的降维处理提高了计算效率并适用于所有类型裂隙介质的渗流研究。详细阐述了离散裂隙型模型的基本原理及其两相渗流数学模型,基于Galerkin加权残量法建立了该模型的有限元数值计算格式。通过单裂隙中的Buckley–Leverett两相渗流算例验证了数值算法的正确性。以裂缝性油藏注水开发为例,应用离散裂隙型模型分别对2种不同类型的裂隙介质进行了实例研究。数值计算结果表明：裂隙的存在导致了岩体的强烈非均质性和各向异性,其中裂隙的方位、大小、连通性及其类别对裂隙介质两相渗流均有着重要的影响;正确认识裂隙的分布及其类别对于裂缝性油藏的开发动态研究及其注采井网的布置有着重要的实际意义 。     

阶梯溢流坝水气两相流数值模拟

阶梯溢流坝作为一种重要的消能结构已逐渐赢得广大学者和溢流坝设计者的兴趣. 为了深入地认识阶梯溢流坝面水气两相流的复杂特性, 引入水气两相流混合模型, 采用RNG k-ε 紊流模型模拟计算了阶梯溢流坝面水气两相流的流速、掺气浓度、初始掺气点和压力等特征参数. 实测结果验证了数值模拟的可靠、合理性, 有助于深入研究阶梯溢流坝的消能机理.     

三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.     

基于欧拉模型的淹没射流冲刷数值模拟

采用Eulerian双流体模型对二维淹没射流作用下的无粘性沙床冲刷进行数值模拟,水沙两相间以及沙粒之间的相互作用通过动量交换和相间作用力体现.分别针对Aderibigbe等人的轴对称实验和本文设计的平面二维实验进行计算,动态平衡状态下冲坑剖面形态的计算结果与实验结果吻合较好.分析结果表明：不同冲刷强度下射流水体速度场具有不同的特征;沙粒受水体作用力、重力和沙粒间的摩擦力的综合作用,在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,水体作用力决定沙粒的运动方式,从而影响冲坑的最终形态;孔隙度是影响冲坑形态的重要因素,在本文的研究范围内,随着孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,冲坑深度增加.     

弯管内的液固两相流壁面防磨数值模拟

为了解决工业中液固两相流对弯管的腐蚀磨损问题,提出一种在普通弯管的弯头处每隔10°放置1个肋片的方法。采用计算流体力学软件Ansys Fluent对普通弯管和加肋片弯管进行数值仿真模拟和流场分析,结果表明:加肋片弯管在弯头处不会出现高压聚集的现象,使压力场分布均匀,增大了弯头处的平均阻力;加肋弯管中颗粒的运动轨迹发生改变,轨迹更紊乱,从而在竖直管段速度显著下降;加肋弯管的最大磨损率和平均磨损率大致为普通弯管的三分之一左右,对于弯管中的防磨有显著效果。     

两相燃烧的大涡模拟

两相燃烧大涡模拟研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟相比,大涡模拟可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且很多情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计结果.湍流燃烧大涡模拟的一个关键问题是亚网格模型,特别是燃烧模型.不同研究者提出了或者应用了不同的燃烧模型,但是有的模拟结果缺乏仔细的实验验证,有的统计结果和实验不符合.提出了二阶矩(SOM)燃烧模型,分别成功地用于气体湍流燃烧和液雾燃烧的大涡模拟,显示其优于其他模型.并对近年来气体燃烧、液雾燃烧、煤粉燃烧和油滴燃烧大涡模拟的研究给出了简要的综述.     

两相燃烧的大涡模拟

两相燃烧大涡模拟研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟相比,大涡模拟可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且很多情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计结果.湍流燃烧大涡模拟的一个关键问题是亚网格模型,特别是燃烧模型.不同研究者提出了或者应用了不同的燃烧模型,但是有的模拟结果缺乏仔细的实验验证,有的统计结果和实验不符合.提出了二阶矩(SOM)燃烧模型,分别成功地用于气体湍流燃烧和液雾燃烧的大涡模拟,显示其优于其他模型.并对近年来气体燃烧、液雾燃烧、煤粉燃烧和油滴燃烧大涡模拟的研究给出了简要的综述.     

离散型两相流动的大涡模拟

大涡模拟(Large-eddy simulation,LES)的研究正在取得迅速进展.和雷诺平均模拟(Reynolds-averaged Navier-Stokes modeling,RANS modeling)相比,LES可以给出流动和火焰的瞬态结构,并且在不少情况下可以给出比雷诺平均模拟更准确的统计平均结果.本文作者及其同事从2002年开始,用大涡模拟研究了气泡-液体流动的瞬态结构.后来从2005年至今陆续研究了气体-颗粒两相流动的大涡模拟、气体绕过单个颗粒流动的大涡模拟、以及有蒸发和燃烧的油滴周围的流动的大涡模拟.本文对作者及其同事近期进行的上述离散型两相流动的大涡模拟研究给出了简要的综述,包括控制方程、亚网格模型、数值方法、主要的模拟结果及其实验验证.     

光刻胶刻蚀过程模拟的三维动态CA模型

建立了光刻胶刻蚀过程模拟的三维动态CA模型, 通过制定规则来确定模拟过程中不断更新的表面元胞, 使得模拟只需计算表面元胞的刻蚀过程; 同时模型避免了在模拟程序中大量运用if-else结构, 使运算速度大大提高. 因此模型具有稳定性好、运算速度快的优点. 首先利用一些刻蚀速率测试函数对模型进行测试, 验证了模型的效果. 随后结合曝光过程和后烘过程模拟, 采用一个精度较高的光刻胶刻蚀速率计算公式模拟光刻胶刻蚀过程; 并将模拟结果与已有的实验结果进行了对比, 比较一致. 这些结果表明建立的光刻胶刻蚀过程模拟的三维动态CA 模型具有较高的精度, 能有效地模拟光刻胶刻蚀过程, 并可与曝光、后烘等光刻工艺模拟的其他步骤集成在一起.     

“磁阻力伞”三维数值模拟初步结果

基于Bush于1958年提出的外加磁场与电离等离子体相互作用产生的电磁力可以增加高速进入黑障区飞行器的阻力,通过三维磁流体力学控制方程（MHD）数值仿真模拟,做了不同磁场强度条件的参数对比和受力分析研究,发现飞行器所受的磁阻力随着磁场强度增强显著增加．当磁场强度为0．4T时,飞行器所受磁阻力可达25kN,弓激波也远离飞行器表面．     

三维非理想高磁雷诺数磁流体流动的数值模拟

对三维高磁雷诺数下非理想可压磁流体方程组发展了基于TVD的守恒格式.八波模型磁流体方程组属于非严格的非凸双曲型方程组,Powell对该方程组进行了修正并建立了一组新的磁流体方程组.修正后的方程组形式上非守恒,不能直接采用守恒型格式.针对该方程组构造了基于TVD的守恒格式,并通过一维磁流体激波管问题进行了验证;对不同情况下的非定常磁流体Rayleigh问题和定常Hartmann问题数值模拟结果和解析解的比较说明算法可靠性较高,可采用此算法对高磁雷诺数下的磁流体问题（如宇宙磁流体问题、钝头体高超声速绕流）进行有效的数值模拟.     

三维非理想低磁雷诺数磁流体流动的数值模拟

对三维非理想低磁雷诺数磁流体问题发展了五波模型算法,建立了低磁雷诺数下模拟磁流体的五波模型．模型由带有源项的Navier-Stokes方程组和Poisson方程构成,并且考虑了Hall效应．对Navier-Stokes方程组采用严格保证熵条件的熵条件格式,而Poisson方程则采用中心差分格式;推导了低磁雷诺数下磁流体Rayleigh问题和Hartmann流动问题的解析解,和数值模拟结果比较说明该算法和程序可靠性较高;将该算法用于低磁雷诺数磁流体管道中单对电极流动的计算,结果表明Hall效应引发了电流密度和电势等值线的扭曲,且在正极的上游边界和负极的下游边界集中,该效应还导致从负极出发的电流偏离对应的正极．     

基于AUSMV算法的井筒气液两相流瞬态流动规律模拟研究

在深层油气藏钻进中,由于井筒与地层连通且安全密度窗口较窄,极易发生物质交换,导致溢流、漏失以及溢漏同存频发,进而引起井筒内的复杂多相流动。为了实现精确控压、确保井控安全,需要掌握各种工况条件下井筒多相流动规律。针对井筒内的复杂多相流动,基于漂移模型建立井筒气液两相流瞬态流动模型,并利用高计算精度的AUSMV格式进行求解。借助MATLAB软件,编程模拟气侵下井筒内的气液两相流动规律,分析气侵量、滑脱速度等参数对井底压力、井口套压、气体速度以及气体体积分数的影响。结果表明:气侵量越大,井底压力、井口套压越大,气体体积分数达到100%的速度越快,气体逆流现象越明显;滑脱速度越大,井底压力和井口套压达到稳定状态的时间越短,气体的运动速度越大,气体体积分数几乎不受滑脱速度的影响;流动参数对井口套压、井底压力和气体体积分数影响较小。该研究可以对精确计算关井后的相关压井参数起到一定的理论指导意义。     

弯曲河床中底沙运动和河床变形的三维k-ε-kp两相湍流模型

建立了曲线坐标系下的三维k-ε-k_p固液两相双流体湍流模型, 模拟了弯曲河道内的底沙运动和河床变形. 计算了实验室120°弯道内水沙两相流的时均流速、泥沙运动以及床面变形, 数值结果较好地再现了实验规律. 同时, 比较了单流体模型和k-ε-k_p模型的数值结果. k-ε-k_p模型能够求解悬沙的三维速度场, 并采用零梯度边界条件获得底沙的运动信息. 计算结果表明在弯道内泥沙运动轨迹的变化比水流运动轨迹的变化平缓, 泥沙轨迹从弯道入口开始逐步偏离水体轨迹, 其偏离程度随泥沙粒径增大而增大. 通过采用底沙的运动强度和方向来求解推移质运动方程以及床面变形, k-ε-k_p模型能够比单流体模型更好地模拟弯道内的床面演变.     

基于Fluent的离心泵内部流场数值模拟

在对比了FLUENT中所提供的湍流模型以后,选取了应用范围较广的标准k—ε模型。计算完成后,分析IS100—85—250型离心泵在额定工况下和非额定工况下整机流场的速度压力分布,发现整体上的流场分布情况跟理论分析一致,而且也十分符合叶轮和蜗壳的设计原理。为了验证整机流场分析的准确性和可靠性,对该离心泵进行了性能试验,并作出了预测性能曲线,就离心泵的特性曲线进行了分析。通过扬程一流量、轴功率一流量、效率一流量特性曲线,得出模拟计算与理论分析基本吻合。最后对模拟计算作了总结。     

基于H-J-C本构模型的掘进机截齿破岩过程的数值模拟

针对掘进机实际外负载难以获取及其载荷特性难以正确把握的现状,提出了利用接触动力学、岩石力学和有限元法等理论和方法构建在显示动力学分析程序LS-DYNA环境下基于H-J-C本构模型的截齿与岩石的接触动力学模型数值模拟平台;利用该平台对掘进机镐形截齿的横摆破岩过程进行了数值模拟,得到了截齿受到的三向阻力曲线;通过载荷特性分析,验证了所得载荷曲线的准确性,并获得了某工况下截齿载荷的主要频率结构;分析了截齿的碎岩机理,发现岩石的破碎是与截齿直接接触的岩石的拉压应力和其周边的剪切应力集中综合作用的结果.     

三维可压大气中重力波波包非线性传播的数值模拟

采用全隐Euler格式(FICE)对重力波波包在风场中的三维非线性传播进行了数值模拟, 给出了重力波波包三维非线性传播的全过程, 分析了重力波的传播特性及风场对重力波传播的影响. 结果表明: 二维全隐Euler格式能够推广到三维情况下使用, 并能保持计算的长期稳定; 波振幅的增长比线性条件下的指数增长要快, 非线性传播使水平扰动速度大幅度增长, 会导致局地背景风场的增强; 波包非线性传播的路径、能量传输速度不同于线性重力波理论给出的结果, 非线性效应导致了重力波传播特性的改变；风场会改变重力波传播的路径和速度.     

水驱油两相流物理模拟相似参数的敏感性分析

提出了相似参数的敏感性分析方法, 定义了表征目标函数对相似参数依赖程度的敏感因子. 以五点法井网为基础, 建立了考虑重力、毛管力、油水和岩石压缩性等因素影响的三维两相水驱油物理模拟的相似准则. 通过相似参数的敏感性数值实验, 定量分析了各个相似参数对于水驱油计算结果的影响程度, 即对各个相似参数的敏感因子进行比较, 确定了各个相似参数的主次关系. 结果表明: 各个相似参数的敏感因子在10^-4 ~10⁰, 为定量确定水驱油物理模拟主要相似参数, 实现部分相似提供了理论依据和设计原则.     

稀相气粒两相流的LES／FDF模型及其在平面尾迹两相流中的应用

推导了气粒两相流中颗粒所见流场速度的滤波密度函数（FDF,filtered density function）输运方程,建立稀相气粒多相流的LES／FDF模型并对气粒两相平面尾迹流动中颗粒的湍流扩散进行了数值模拟研究．将模拟的结果与实验数据及不使用FDF模型得出的结果进行对比,说明LES／FDF模型能够更好地描述颗粒的空间扩散．     

低浓度固液两相流理论分析与管流数值计算

从固液两相流的动理论出发,建立了模拟水平方管固液两相流动的数学模型,并与LDV测量结果进行了比较. 模型能够正确地预测实验中观察到的两种浓度分布类型,并给出了颗粒相脉动能沿垂向不同类型的分布. 在管流主流区,计算预测的颗粒平均速度小于液相速度,在边壁附近大于液相速度. 同时,对颗粒浓度、平均速度等流动属性的垂向分布机理进行了分析,从动理论的观点揭示了浓度不同分布类型的形成机理不仅与颗粒在流场中的升力有关,还与颗粒脉动能的分布有关.