涡流式水力降低井底压差机制及现状

 石油与天然气钻探实践表明,降低井底压差,减小岩屑的压持效应,并尽量实现井底的欠平衡条件,可以显著提高钻井的机械钻速。本文在介绍涡流式水力降压技术的原理的基础上,综述了环空涡流泵、涡流式水力降压短节和涡流钻头等涡流式水力降压工具的结构特点、降压效果和研发应用情况,采用计算流体力学软件对涡流PDC(聚晶金刚石复合片)钻头的井底流场进行了数值模拟研究。结果发现,涡流钻头与井壁间的密封是降压的关键,推荐上返喷嘴的倾角为150°—180°,推荐上返流量为32%以上,为涡流钻头的研发提供理论指导。     

气体钻井牙轮钻头井底流场特性分析

基于CFD 技术,通过建立井底流场计算模型,运用数值模拟的手段,对气体钻井的三牙轮钻头井底流场进行
了数值模拟,并分析了喷嘴侧倾角、前倾角和后倾角对井底流场的影响。结果表明：三喷嘴不同侧倾角设置比相同侧
倾角设置更利于井底清岩;三喷嘴复合前倾角比复合后倾角的井底清岩能力更强,但对牙轮切削结构的清洗效果较
差;在不改变气体排量的情况下,通过三喷嘴混合复合前倾角和后倾角的方式,可以在保证一个相对较好的井底清岩
能力的情况下,提高射流对牙轮切削结构的清洗能力和环空的携岩能力。分析结果为气体钻井系列牙轮钻头的设计、
评价以及现场气体钻井的技术措施提供了理论指导。     

PDC钻头条件下圆喷嘴撞击射流井底流场的数值模拟

为了研究ＰＤＣ钻头条件下圆喷嘴射流撞击井底流场的基本规律，在分析ＰＤＣ钻头的基本水力结构特点的基础上，建立了ＰＤＣ钻头条件下井底结构的物理模型。采用ｋ－ε双方程模型封闭湍流Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，利用求解压力耦合方程的半隐式方法，对这一物理模型条件下的流场进行了数值模拟，并将数值结果与实验研究结果进行了对比。结果表明，所建立的控制方程、控制条件以及所采用的数值方法是合理的。根据数值结果，研     

PDC钻头水力结构研究进展

以近年来国内外钻头水力学研究的文献为基础，综合论述了ＰＤＣ钻头水力学中钻头井底流场和水力结构优化研究的新方法，新动态和新成果，并提出研究中存在的问题和今后的展望，分析表明，示踪颗粒轨迹测法和井底测压法是目前研究ＰＤＣ钻头井底速度场和井底压力场的比较有效和可行的方法，采用数值模拟方法来描述ＰＤＣ钻头井底流场，进行钻头水力结构优化将是ＰＤＣ钻头水力学研究的一个方向，到目前为止，还没有一个评价ＰＤＣ钻头     

PDC钻头水力结构研究进展

以近年来国内外头水力学研究的文献为基础，综合论述了ＰＤＣ钻头水力学中钻头井底流场和水力结构优化研究的新方法、新动态和新成果，并提出了研究中存在的问题和今后的展望。分析表明，示踪颗粒轨迹测法和井底测压法是目前研究ＰＤＣ钻头井底速度场和井底压力场的比较有效和可行的方法，采用数值模拟方法来描述ＰＤＣ钻头井底流场，进行钻头水力结构优化将是ＰＤＣ钻头水力学研究的一个方向，到目前为止，还没有一个评价ＰＤＣ钻头水力结构和井底流场优劣的合适的定量标准，因而，水力结构设计很难谈得上优化，今后应开展这方面的研究工作。     

涡流室涡流比对涡流室式柴油机污染物生成影响的数值模拟

为了揭示涡流室涡流比对涡流室式柴油机污染物生成影响规律,采用标准k-ε-f湍流模型和LUENT动网格技术构建涡流室式柴油机燃烧仿真计算模型,并通过实验验证得到合理的仿真计算模型参数。对不同涡流室涡流比时涡流室式柴油机压力和温度分布以及污染物生成影响规律进行数值模拟。研究结果表明:涡流比Rs对涡流室式柴油机气缸燃烧及污染物生成的影响规律是NOx生成量随涡流比Rs的增大而下降,而Soot生成量随涡流比Rs的增大而增大;可以通过优化在Rs为2.5~3.1范围内找到1个合适的涡流比Rs,使涡流室式柴油机气缸NOx生成量和Soot生成量均为较小值。     

实体PDC钻头流场数值模拟与实验验证

利用计算流体动力学技术对聚晶金刚石(PDC)钻头(型号为BK432)的三维湍流进行了数值模拟。模拟中考虑了钻头的切削齿和射流喷嘴对流场的影响。流场的网格划分采用局部加密的混合网格形式，保证了计算精度和运算速度。流场的三维模拟结果揭示了钻头流场存在低速区、回流区和滞流区域，为钻头水力结构优化分析奠定了理论基础。为了对数值模拟的结果进行检验，建立了PDC钻头流体测试实验台架，利用粒子成像测速技术对PDC钻头4个喷嘴的出口流场进行了测试。将测试的喷嘴轴向速度与数值模拟结果进行了对比分析，两者吻合较好。     

组合式PDC钻头设计与分析

为解决深井上Φ311井段、深层井段的机械钻速低、周期长、钻井成本高的问题,设计出组合式PDC钻头。在SolidWorks环境下创建复合钻头模型,使用合理的链接并装配,然后以iges文件导出,在导入有限元分析软件。对复合钻头设置载荷、约束及边界条件,确定初始条件,模拟钻头和地层相互运动、接触性分析。对复合钻头的几何设计和性能设计提供了丰富的、有用的信息,同时叙述了组合钻头的破岩原理。采用新型PDC复合片、钻头结构和钻头设计参数,能够提高Φ311井眼及深层的机械钻速。     

涡流室内气体流动的三维数值模拟

利用开发的ＥｎｇｉｎｅＣＦＤ－Ⅱ程序,对Ｓ１１００涡流室式柴油机压缩过程的气流运动进行了三维数值模拟论述了不同坐标系对网格划分和计算结果的影响,详细分析了直角坐标系下复杂体系边界条件的处理方法,给出三维模拟的计算结果,找出了涡流室内气体运动的真实过程和运动规律：在整个压缩过程中,涡流室内不存在刚体涡流,其窝心是在不断变化的,涡心位置的变化是主涡流运动和由主燃室经通道“压入”涡流室内的“射流”运动的综合结果     

喷气涡流纺喷嘴中纤维运动的数值模拟

建立了能够反映柔性纤维物理与力学特征的二维模型,结合任意拉格朗日-欧拉法,求解纤维在喷气涡流纺喷嘴中与气流相互作用的流固耦合问题及纤维与喷嘴壁面的接触问题,数值模拟纤维在喷气涡流纺喷嘴高速气流中的运动与变形.研究表明,在喷嘴内气流的作用下纤维随时间呈现波浪形的螺旋运动,并向下游运动,在此过程中与锭子内壁多次发生接触;纤维尾端在完全进入锭子之前以较大的幅度在喷嘴壁面间进行螺旋回转,从纤维束中分离出来并做包缠运动,使纤维束加上捻度;纤维加捻的强度可以用纤维尾端周期性转动的幅度与频率表示.     

干扰板作用下飞机尾涡流场近地演变机理研究

为了更好地控制和规避飞机尾涡对飞行安全和机场运行效率的不利影响,本文重点研究近地尾涡的强度消散与涡核运动规律。使用ANSYS中的DM模块建立A320飞机机翼模型,并基于雷诺平均法(RANS)采用RKE涡黏模型对雷诺应力项进行方程封闭,在天河一号超级计算机上采用多段拼接方法开展大尺度脱体尾涡数值模拟实验。基于实验数据分析了地面效应对涡核的下沉趋势和水平运动、涡间距、涡量及涡核速度等的影响,然后在尾涡流场中增加接地竖板,研究在机场跑道端设置人工干扰板时的尾涡运动和消散规律。结果表明,地表附面层能分离出二次涡,其缠绕于主涡周围诱发主涡加速消散并改变尾涡速度场的分布;人工干扰板能有效削弱尾涡的湍流动能,诱导主涡分离出二次涡系,触发涡系产生Rayleigh-Ludwieg相交不稳定性,加快主涡的下沉与迸裂,显著提高尾涡强度消散率。     

催化裂化沉降器新型高效旋流快分器的结构优化与分析

在CFX软件平台上,采用RSM模型对两种结构的新型旋流快分器内流场进行了三维数值模拟,考察了该旋流快分器的内插筒状物的结构参数对旋流快分器内流场的影响规律。采用随机轨道模型对该快分器内颗粒的运动情况进行了计算,估算了该旋流快分器的分级效率和总分离效率。结果表明,该新型旋流快分器的压降随内插筒状物直径的增大而减小,随内插筒状物长度的增大变化很小;小于8μm的颗粒的分级效率随内插筒状物直径的增大而减小,小于3μm的颗粒的分级效率随内插筒状物长度的减小而减小;总分离效率随内插筒状物直径的增大先增大后减小,随其长度的增大而增大。Ⅱ型结构的性能优于Ⅰ型结构的性能。由此可获得在处理不同粒径粉料时,最佳的内插筒状物结构参数与型式,供工程设计参考。     

先进旋涡燃烧室燃烧特性数值模拟

为研究先进驻涡燃烧室的燃烧特性,采用三维数值模拟方法,得出AVC中钝体布置对旋涡稳定性和总压损失系数的影响规律,并恰当选择AVC几何结构.对AVC燃烧和污染物排放特性的研究结果表明,AVC具有燃烧稳定性好、燃烧效率高、污染物排放水平低等优点.     

环形涡旋光干涉叠加形成复合涡旋光的特性研究

采用数值模拟的方法对2束以高斯光束为背景的环形涡旋光相互叠加产生的复合涡旋进行研究,提出了一种求解共线叠加复合涡旋位置的图解方法,利用该方法可以得到准确的涡旋位置分布特性。研究表明,通过改变涡旋光的拓扑荷值以及束腰半径,复合涡旋光的奇点和强度分布都会发生改变,形成新的复合涡旋光场。     

跨音速变质量槽式喷管的设计研究

喷管是风洞实现高速均匀稳定气流的核心部件,变质量喷管可通过扩散段管壁的缝隙流出部分气流来实现在不同背压下得到不同的出口马赫数.基于空气动力学原理,采用三维N-S方程以及可实现k-ε湍流模型,对喷管内流场进行了数值模拟.结果表明:收缩段型线、扩散段长度及壁缝尺寸对喷管流场特性具有重要影响,合理的型线和几何尺寸可使喷管出口具有宽阔的马赫数范围、且流场均匀稳定.     

融合式翼梢小翼对飞机尾涡演化的影响

随着空中交通流量的增长,尾流间隔精细化、动态化缩减成为了民航发展的一种趋势,研究尾流演化过程也成为了民航领域关注的前沿科学问题。基于此,本文采用雷诺平均 N-S方程方法研究了B737-800飞机有无融合式翼梢小翼对飞机尾涡的演化过程影响。利用NASA动态尾流系统中APA尾涡消散模型计算了不同气象环境参数下有无小翼的尾涡环量变化。结果表明：融合式翼梢小翼可以分割翼尖涡,有效改变翼尖气流的流动特性,增大速度梯度,减小尾涡速度、尾涡能量集中程度和尾涡强度;不同大气湍流耗散率和大气层结稳定度下,小翼对尾涡强度的减小量不同。     

立柱旋涡三维数值模拟

立轴旋涡的边界条件复杂，存在很难求解的曲线自由水面，三维数值模拟相当困难，目前还未见报道，采用VOF方法处理水气二相流自由表面，通过三维数值模拟描述立轴旋涡的形成过程，用拉格朗日法求解液体颗粒的运动轨道，并给出了压力和流速特性，有利于对立轴旋涡的生成机理和消涡措施作进一步分析。     

催化裂化沉降器旋流快分器内气体停留时间分布的数值模拟研究

采用CFX软件和RSM模型对催化裂化沉降器旋流快分器内的三维流场进行了数值模拟。并且用标量输运方程研究了气体在旋流快分器内停留时间的分布规律。结果表明，旋流快分器内气体的停留时间随着旋流头喷出速度的增大而减小，随着封闭罩内环形空间面积与旋流头喷出口面积之比（S）的增大而减小，且当S等于10时，旋流快分器内气体的停留时间小于5s；加入汽提气有利于气体的快速引出；带内插筒状物的新型旋流快分器内气体的停留时间大于目前所用的旋流快分器内气体的停留时间。