采用分数阶导数描述胶凝原油的流变模型

提出了采用分数阶导数的新流变模型理论来描述胶凝原油蠕变特性和动态粘弹特性的方法.由Maxwell体和分数阶导数的类Kelvin体组合建立了类Burgers体流变模型,并推导得到了分数阶导数类Burgers体的蠕变柔量表达式.试验验证了该模型能精确描述胶凝原油的蠕变过程,而经典的标准粘弹性固体模型和粘弹性流体模型都不能很好地拟合蠕变试验曲线.试验还验证了分数阶导数的类Kelvin体和类标准线性体都能精确描述胶凝原油的动态粘弹性能,而经典的标准粘弹性固体模型同样也不能很好地拟合动态粘弹试验曲线.     

一种描述胶凝原油蠕变全程的损伤模型

根据统计力学原理,将连续损伤因子引入到虎克体中,得到与损伤耦合的非线性虎克体的本构方程,将得到的非线性虎克体模型与含有塑性体的NVPB模型串联,得到一个新的描述胶凝原油加速蠕变阶段的模型,编制拟合函数对试验数据进行拟合。对不同结构强度的胶凝原油蠕变过程进行拟合,分析模型中参数的变化规律及其实际物理意义。结果表明:该模型可以较为精确地描述胶凝原油非线性黏弹塑性剪切流变全程曲线;新模型结构简单、物理意义明确、精度高。     

胶凝原油的粘弹触变方程

粘弹性和触变性是胶凝原油重要的依时行为 ,能将胶凝原油的触变性和粘弹性统一起来的本构方程较为少见。利用机械比拟原理 ,建立了适用于胶凝原油的粘弹触变方程。分别对文献报道的以及旋转粘度计实验中获得的实验数据进行了拟合。结果表明 ,此方程能够较准确地描述恒剪切速率实验中胶凝原油的应力裂降过程 ,粘弹-触变方程中的参数可以反映出胶凝原油的相关特性     

干/湿状态下HFRP搭接接头的剪切蠕变试验及分数阶导数流变模型

搭接是纤维增强复合材料(FRP)的重要连接方式,长期性能是该技术实际工程应用的关键.对不同恒定应力和湿度状态下混杂FRP(HFRP)双搭接接头的剪切蠕变性能进行了试验研究.试验观测到了明显的蠕变变形,测定了蠕变与恒定应力及湿度的关系.进一步采用分数阶导数流变模型对试件的蠕变进行模拟.根据模型所包含的Mittag-Leffler函数的性质采用了改进的Powell优化算法,并确定了合理的初值,结合试验曲线拟合得到模型各参数值.根据搭接接头蠕变的特点,在经典分数阶流变模型中引入了表征应力水平对搭接接头非线性蠕变特性影响的函数,提出了一种改进的分数阶蠕变柔量计算公式.研究结果表明,该流变模型能够采用简单的表达形式和较少的参数对试件的非线性蠕变行为进行拟合,在30%~70%恒定应力范围内准确模拟了双剪搭接接头的蠕变曲线.     

基于分数阶导数的盐岩流变本构模型

盐岩流变特性的研究对诸多地下工程如战略能源储备、CO2封存、高放废物处置等具有十分重要的意义.本文从分数阶导数出发,在常黏性系数Abel黏壶基础上,提出了一种新的变黏性系数的Abel黏壶元件.通过将分数阶Abel黏壶代替经典西原模型中Newton黏壶的方法,构建了基于分数阶导数的盐岩流变本构模型,并给出了流变本构模型的解析解.论文进一步应用程控流变仪进行了湖北江汉油田王储1井盐岩试件的单轴流变实验,基于盐岩流变实验数据,对分阶导数流变本构模型的参数进行了拟合分析,确定了模型中的参数.论文还进行了分数阶流变模型中的参数敏感性分析,揭示了应力水平、分数阶导数阶数、黏性系数对流变应变的影响规律,并验证了分数阶流变本构模型在特殊条件下可退化为经典西原模型.研究发现,本文提出的分数阶流变本构模型可以更好反映盐岩流变的三阶段尤其是加速流变阶段.     

胶凝原油的粘弹-触变方程

粘弹性和触变性是胶凝原油重要的依时行为,能将胶凝原油的触变性和粘弹性统一起来的本构方程较为少见。利用机械比拟原理,建立了适用于胶凝原油的粘弹-触变方程。分别对文献报道的以及旋转粘度计实验中获得的实验数据进行了拟合。结果表明,此方程能够较准确地描述恒剪切速率实验中胶凝原油的应力裂降过程,粘弹-触变方程中的参数可以反映出胶凝原油的相关特性。     

基于分数阶导数的软土非线性流变本构模型

基于分数阶导数理论构建了新的五元件非线性流变本构模型,给出了该模型的理论解,利用该模型对不同应力水平条件下的香港海相软土和上海淤泥质黏土的试验结果进行了拟合分析.研究结果表明,在低应力条件下,串联的变系数黏壶关闭,模型能够更加精确地描述软土的瞬时蠕变、衰减蠕变和稳态蠕变特性;在高应力条件下,变系数黏壶元件参与工作,模型能够较好地描述软土的加速蠕变特性.并且模型参数较少,确定方法简单,具有较为广泛的适用性.     

粘弹性分数阶导数模型的等效粘性阻尼系统

粘弹性分数阶导数模型已很好地用于拟合高分子材料的力学特性,但动力学时域响应分析要用到分支解析函数的反Laplace变换,计算非常繁琐.为简化计算,讨论了粘弹性分数阶导数模型的等效线性粘性阻尼系统.对于单自由度系统,得到了等效阻尼,等效刚度的表达式,并比较了δ-激励和简谐激励下原系统和等效系统的时域和频域响应.结果表明,在小阻尼窄带响应条件下等效系统响应与原系统相差很小,此时用等效系统代替原系统可减小计算难度并保证足够的计算精度.     

利用分数阶导数模拟的粘弹材料振动模型

利用分数阶导数描述粘弹材料的本构关系,使用关于应变的分数阶导数的阶的积分,研究基于这样的本构关系的粘弹性杆-质量块的稳态振动分析,给出精确的幅频关系和相频关系,分析参数对粘弹性质、阻尼及共振现象的影响。结果显示这种本构关系能合理地体现材料的粘弹特性。     

一个新的求解粘弹性分数阶导数模型的高阶数值格式

构造了一个高阶数值格式快速求解粘弹性材料的振动问题。在时间上离散上主要采用有限差分法,利用二阶中心差分格式近似二阶导数,对于α阶导数构造了一个新的3-α阶数值格式,其中0α1。理论分析证明该格式近似解对精确解逼近的收敛阶为2阶,一系列的数值算例表明了理论分析的正确性。     

一种胶凝原油剪切测试的新方法

对用旋转流变仪和管流试验装置研究胶凝原油剪切破坏特性的试验测试方法进行总结,发现油品的压缩性、收缩性,承受单向剪应力等因素会对测试结果产生影响。基于岩土等材质的剪切破坏试验方法的分析,借鉴测定土体强度的直剪法,使用数显测力计测试剪切应力,利用步进电机精确控制剪切速率,消除固有内阻的影响,通过空气浴来实现测试温度的控制,开发出胶凝原油直剪测试装置。试验结果表明,测试装置具有良好的可靠性和准确性,直接剪切试验能够较好地反映出胶凝原油的剪切屈服破坏过程。     

胶凝原油管道启动压力计算方法

基于启动波速理论提出一种新的胶凝原油管道启动模型。该模型用于模拟胶凝原油管道初始启动过程中的压力和流量变化,最终给出管道的启动压力及启动时间。结果表明:随着启动波前锋的推进,管道入口流量逐渐减小,管道沿线的压力逐渐增长,但由于启动波前锋上游管段内凝油结构的裂解,管道沿线的压力梯度逐渐趋于平缓。管道内径越大,启动压力越小,启动时间越短;管道壁厚越大,启动压力越大,启动时间越短。受管道弹性及凝油可压缩性的影响,胶凝原油管道的启动压力远小于4(τ_y0+τ_y1)L/D。     

胶凝原油初始应力递增过程的力学模型

考虑胶凝原油具有蠕变与松弛特性,将Maxwell线性黏弹性体与幂律流体元件进行并联,得到机械比拟模型。在幂律流体元件应力项中引入与应变相关的损伤因子,Maxwell黏弹性体剪切应力项中引入完整性因子,得到胶凝原油初始应力递增阶段的描述公式。分别对大庆原油、南阳原油进行恒剪切速率试验测试,利用模型公式拟合初始应力递增阶段的试验数据,计算胶凝原油应力松弛过程。结果表明:拟合效果良好,模型参数不随剪切测试条件改变,能够反映胶凝原油的物性特征。该模型可以表述胶凝原油的松弛特性;应变幅值越大,结构损伤越明显,对应的剪切模量数值越小,符合胶凝原油的真实流变特性。     

大庆胶凝原油启动屈服应力研究

准确预测胶凝原油管道的启动压力,是实现热含蜡原油管道安全经济输送、避免“凝管”事故发生的关键问题。根据原油流变性研究中剪切率和屈服值的定义,提出了胶凝原油启动剪切率和启动屈服应力两个新概念。研究认为,对应热油管道最低临界启输流量,管道存在启动剪切率,对应启动剪切率的屈服应力定义为启动屈服应力。使用室内模型环道,对大庆胶凝原油的启动特性进行了实验研究。结果表明,原油析出的蜡晶对静态降温过程胶凝原油结构强度的作用远大于对动态降温过程生成结构强度的作用。原油静态降温幅度越大,新生长的结构越强。胶凝原油启动屈服应力的主要影响因素有启动温度、启动剪切率和静态降温幅度,它们之间的关系可用三元线性方程描述。     

大庆胶凝原油启动屈服应力研究

准确预测胶凝原油管道的启动压力，是实现热含蜡原油管道安全经济输送、避免“凝管”事故发生的关键问题。根据原油流变性研究中剪切率和屈服值的定义，提出了胶凝原油启动剪切率和启动屈服应力两个新概念。研究认为，对应热油管道最低临界启输流量，管道存在启动剪切率，对应启动剪切率的屈服应力定义为启动屈服应力。使用室内模型环道，对大庆胶凝原油的启动特性进行了实验研究。结果表明，原油析出的蜡晶对静态降温过程胶凝原油结构强度的作用远大于对动态降温过程生成结构强度的作用。原油静态降温幅度越大，新生长的结构越强。胶凝原油启动屈服应力的主要影响因素有启动温度、启动剪切率和静态降温幅度，它们之间的关系可用三元线性方程描述。     

两种测量模式下胶凝原油的流变性关系

以低温下胶凝原油动态频率扫描和稳态速率扫描试验为基础,提出两种描述胶凝原油绝对复数模量随频率变化的函数方程式,并进行试验验证;借鉴Cox-Merz经验公式,分析得到胶凝原油绝对复数黏度与表观黏度之间的关系式,并进一步推导出胶凝原油绝对复数模量与剪切应力的经验表达式。结果表明:胶凝原油绝对复数模量随频率的增加而增大,在双对数坐标系中近似呈直线关系;绝对复数黏度随扫描频率的增加而减小,这与稳态表观黏度随剪切速率的变化规律一致;所得的两个经验表达式都具有较高的精度。