渣浆泵内固相颗粒冲蚀特性的数值模拟

应用雷诺涡粘模型(液相)、离散相流动模型(固相)和压力耦合流场计算法,对渣浆泵全流道内固液两相湍流场的固相颗粒的冲蚀行为进行数值模拟.研究泵转速、固相粒径和叶片参数对颗粒冲蚀特性的影响.研究结果表明:随着泵转速的提高或者粒径的增大,颗粒冲击叶片表面的位置逐步移向叶片的头部,颗粒的冲击速度和冲击角度随之增大;不同叶片参数的叶轮对固相颗粒的冲蚀行为影响明显;数值模拟的研究成果可应用于抗冲蚀磨损叶轮的设计.     

气体钻井中钻柱力学性能及冲蚀实验研究

由于在破岩过程中受到冲击,气体钻井中的钻柱产生了交变应力,而钻柱旋转加剧了交变应力的变化,同时气体携带岩屑对钻柱产生冲蚀,加速了钻柱的失效。钻柱主要失效形式为疲劳断裂,这跟钻柱所受应力大小及变化密不可分,因此,开展气体钻井过程中钻柱力学性能和冲蚀研究,掌握钻柱应力变化规律及岩屑对钻柱的冲蚀规律,是减小和防止钻柱失效的基础工作,对增加气体钻井过程中的安全性和降低钻井成本有十分重要的意义。通过使用一种已开发出的可同时模拟气体钻井钻具振动和冲蚀的装置,进行了不同钻具组合情况下,气体钻井钻柱同时受振动和冲蚀实验。实验结果表明,气体钻井过程中,配置扶正器将使钻柱所受交变应力值变化范围降低40% 以上,扶正器和减振器的配合使用将使交变应力值变化范围下降50%,因此,扶正器和减振器的配合使用,将大幅降低钻柱所受交变应力,并延长交变应力作用周期,从而降低钻柱失效的概率。     

电潜泵叶轮冲蚀磨损的数值模拟及验证

针对同井采注水中电潜泵叶轮出现的冲蚀磨损问题,采用RNG k − e湍流模型和离散相模型,实现对冲蚀磨损的数值模拟。通过对不同粒径和转速条件下叶轮的冲蚀磨损进行分析,得到了冲蚀磨损规律和磨损机理。研究结果表明,叶片凹面中心是最严重的冲蚀磨损区域;转速和砂粒粒径增大都会加剧冲蚀磨损,逐步使冲蚀磨损较严重的区域由凹面中部的一点逐步扩展到整个凹面;0.07 mm 是冲蚀磨损迅速增强的临界点;数值模拟结果与验证结果吻合较好。因此,利用CFD 预测潜油电泵叶轮的冲蚀磨损是可行的。     

固液冲蚀作用下的四通流道设计及分析

在油气钻采过程中,为了提高压裂效率,部分井场会采用一种高压四通管汇连接装置。基于液固两相流和冲蚀磨损理论,建立了流道夹角分别为0°～14°在不同工况下的三维模型,利用fluent软件探究水力压裂下高压四通管的冲蚀磨损特性。结果表明：传统的直流道四通不论在何种工况下冲蚀集中区域都在四通交汇的相贯线上,随着角度增加,冲蚀集中区域由相贯线及附近壁面变为出口端圆柱面;通过对流体不同工况下的分析表明,不同的流道夹角下,流体冲蚀影响各不相同。单出口工况下,较小流道夹角有效的降低了冲蚀率,随着角度继续增加,管壁的最大冲蚀率平缓增长;双出口工况下,最大冲蚀率也会有效降低,但随着夹角继续增加至5°,最大冲蚀率不会继续降低,而呈现增长的趋势;三出口工况下四通,最大冲蚀率降低效果并不明显,且流道夹角由3°增加到14°,最大冲蚀率增长幅度很大。     

低浓度多相流管道冲蚀磨损数值模拟

液固多相流冲蚀磨损会严重影响管道的使用寿命。以某输油管线设计为研究对象,运用Fluent软件中的Mixture-DPM双向耦合模型研究低浓度颗粒的油水多相流管道流场变化,分析集输管线整体冲蚀速率分布,得到了不同管件冲蚀磨损较严重的区域。为了进一步研究冲蚀磨损的影响因素,选取3种不同的入口流速及原油含水率进行综合对比分析,结果表明：不同管件的冲蚀磨损区域各不相同;90°弯管磨损区域主要集中在外拱壁面,三通管磨损区域主要位于下支管右壁面,渐缩管磨损区域主要位于喉部区域及出口处,盲三通在盲端1/3处形成小型旋涡,且磨损区域主要位于盲端与下支管相贯线区域以及下支管右壁面处;冲蚀速率随入口流速的增加呈指数型增长,指数系数为1.89;随原油含水率增加,冲蚀速率呈倒"U"形变化,当含水率为20%时,冲蚀速率达到最大值。     

流道形状对PDC钻头头部流场影响的数值模拟

利用计算流体力学对两种不同流道形状的PDC钻头头部的三维流场进行了数值模拟.流场的网格划分采用混合网格形式,保证了计算精度和计算速度的要求.对两种钻头模拟结果表明,流道形状的改变对钻头流场存在较为明显的影响.通过对钻头表面和流场中截面的静压云图和速度矢量图的对比分析表明,改变了流道形状的钻头2的流场明显优于钻头1的流场,且模拟结果得到了实验的验证.     

机器人安全系统的数值模拟研究

提出了1个包含两个冗余机器人和1个安全装置的机器人安全系统模型,运用泛函分析中的积分算子理论和纯分析的方法给出了机器人安全系统非负解的存在唯一性的证明,同时也给出了系统的可用度和故障频度等可靠性指标,最后给出了系统的数值模拟。     

管道冲蚀液-固数值模拟的研究进展

在石油和天然气行业中,管道输送系统的弯管和管汇处极易受到固体颗粒的冲蚀,从而导致管道内承受高压能力削弱,加大了在传输过程的风险。本文首先对固体颗粒冲蚀机理的发展历程进行了回顾,总结了现阶段固体颗粒冲蚀磨损行为的研究现状,概述了塑性材料和脆性材料冲蚀理论模型。其次,分别从液体流动属性和固体颗粒流动属性两个方面对冲蚀的影响因素进行了阐述,评价了各湍流模型和冲蚀模型的优势和适用范围。随后,综述了国内外流体仿真软件在管道冲蚀模拟的研究进展。从弯管到管汇,再到高压泵和旋流分离器等,模拟对象有着复杂的几何形状;网格划分由不变形到可变形,再到无网格划分,大大增加了计算的模拟精度。最后,提出冲蚀模拟仿真在管道行业的下一步研究和发展方向。为今后的整体管道系统冲蚀预测和位置布局设计提供参考。     

机器人等离子熔射成形过程模拟及实验研究

建立了机器人等离子熔射成形过程数学模型,采用ANSYS数值模拟软件对多周期的机器人熔射成形过程进行数值模拟.模拟分析了不同叠加角度条件下的多周期熔射成形过程并与实验结果进行了比较.结果表明采用90°轨迹叠加角度,可以获得具有最小残余应力分布和更加致密组织结构的金属皮膜,有利于提高熔射金属皮膜的成形性.     

压裂工况下T型三通冲蚀影响数值模拟

研究水力压裂工况下T型三通的冲蚀。基于FLUENT内置的DPM模型探究流速、质量流量、粒子直径、进出口流通方式对T型三通冲蚀的影响。结果表明：内部流速与冲蚀率的变化关系呈现幂函数关系,且曲线中存在冲蚀影响临界流速。液体流速小于临界流速,流速的增加引起冲蚀程度增加较不明显,当流速超过临界流速,引起冲蚀率的急剧增加。支撑剂颗粒粒径与冲蚀率的变化关系呈正相关。汇流状态下的冲蚀率最大,分流状态下的冲蚀率最小。汇流状态下的冲蚀率最大是分流状态下的30.7倍;既不分流也不汇流状态下的最大冲蚀率可以达到了分流状态的冲蚀率的5.4倍。     

基于双向流固耦合的血管机器人外流场数值模拟

采用双向流固耦合的方法,对血管机器人的外流场进行数值模拟,为血管机器人外结构与运行参数设计提供参考.计算结果显示,伴随着血流脉动,血管的变形呈现周期性喇叭形扩大—向前传递—恢复原状,变形较大的区域主要集中在血管机器人迎流面,同时机身旋转的作用快速将血液输送至背流面,使背流面的变形比机身变形略大;进而给出了壁面剪切应力与血管变形间的关系式,揭示壁面剪切应力随血管变形而变化的规律.最后,分析了血管弹性对血管机器人推动性能的影响,结果表明,血管弹性对血管机器人推动性能影响不大.     

固体电枢溶化波烧蚀的一维数值模拟

建立了一维固体电枢溶化波烧蚀计算模型,采用有限差分法计算电磁场的扩散,得到了溶化波烧蚀速度和烧蚀深度的变化特性。数值计算结果表明,暴露于强磁场环境下的烧蚀表面产生较高的磁场梯度,电流密度集中在烧蚀表面,焦耳热的剧增导致电枢发生烧蚀。将伪烧蚀算法应用于有限差分的计算,证实其不相容。计算结果对溶化波烧蚀问题的理论及试验研究有重要的指导作用。     

旋转对平板通道内湍流流动和换热影响的直接模拟

直接模拟了展向旋转数等于0~15时平板通道内的湍流流动和换热,分析了科氏力对湍流平均特性、湍流统计特性、雷诺应力输运和湍流结构的影响.采用有限差分法离散非稳态N S方程,湍流雷诺数和普朗特数分别为150和0 71,网格数为64×128×64.计算结果表明,随着旋转数的增加,压力面附近湍流强度增大,换热增强,而吸力面附近换热减小.雷诺应力输运方程中的旋转项在各应力中的能量分配作用远大于压力分配项,且旋转项使得雷诺应力输运方程的各项分布和相对关系发生了较大的变化.由于科氏力的作用,压力面附近的条带间距减小,条带变细、变短,而吸力面流动脉动衰减,有层流化的趋势.     

滴灌滴头内流场的数值模拟及流道优化设计

针对滴灌技术中农用传统迷宫型滴头流道内易堵塞的缺点,提出根据流线形状设计"自清洗"型滴头的思想.以滴头流道内流场的三维数值模拟分析为基础,以减少非主流区域通流面积和避免较大的主流速度梯度为基本思想,对滴头流道的结构形状进行优化设计,消除流道中的滞止区和涡旋区,使得流道内速度分布趋于均匀以减少低速流动区域.优化前、后的计算结果表明:优化后的滴头能够有效地避免内部涡旋和滞止区的产生,提高了滴头流道的抗堵性能;滴头在紊流流动状态运行时,流道的近壁面速度较高,抗堵性能更好;优化后的滴头流道整体压降降低,可以通过延长流道长度和增加进口流量予以弥补.     

偏心转子挤出机中UHMWPE熔体流动特性的数值模拟

偏心转子挤出机具有良好的正位移输送特性,能有效解决超高分子量聚乙烯（UHMWPE）由于壁面滑移造成的加工困难的问题。为了揭示UHMWPE在偏心转子挤出机输送段的熔体流动特性,采用实验与数值模拟相结合的方法确定了UHMWPE熔体壁面滑移的模型参数,利用ANSYS Polyflow软件对UHMWPE熔体的流场进行了数值模拟。结果表明：偏心转子挤出机中转子和定子啮合形成的容腔能够实现对UHMWPE熔体的正位移输送,容腔截面尺寸的变化在熔体中产生了拉伸流场;在每个容腔的入口和出口附近分别形成正压和负压,啮合间隙不为0时,造成容腔中熔体的逆流和漏流,使容腔出口处的平均流率低于理论流率。偏心转子挤出机加工UHMWPE时,容腔出口处熔体的瞬时流率和平均流率与转子转速成正比,流率脉动率保持不变;减小转子和定子间的啮合间隙,容腔出口处熔体的平均流率增加,流率脉动率减小,增强了偏心转子挤出机中熔体的正位移输运。     

基于ANSYS/LS-DYNA水下钻孔爆破数值模拟

运用非线性显式动力分析程序ANSYS/LS-DYNA建立水下钻孔爆破数值仿真模型,在考虑水体重力作用下,对不同起爆方式和不同堵塞材料下水下岩体钻孔爆破效果进行分析,分别得出压力时程曲线图、速度时程曲线图和竖向应力时程曲线图。结果表明:不同起爆方式、不同堵塞材料作用下岩石的爆破效果不同,且在不同部位其爆破效果也受到起爆方式和堵塞材料的影响,但在单一堵塞材料的作用下对于破岩效果的影响并不是很大,尤其在岩-水接触面位置,水材料堵塞和炮泥材料堵塞作用下,两端起爆使得岩体爆破产生的应力扰动较为均匀,整体爆破效果好。因而在实际工程中要依据爆破重点选取不同起爆方式和堵塞材料才能更好地达到预期的爆破效果。     

复式断面河道水流泥沙数值模拟

建立了复式断面河道一维扩展水流、泥沙数值模型,并且对阳泉治理河段的水流、泥沙情况进行了计算。计算结果与试验结果相比符合较好,说明了一维扩展水沙模型在实际工程上应用的可行性     

新型浮式钻井生产储油平台涡激运动数值模拟及试验研究

利用数值模拟方法对浮式钻井生产储油平台(Floating Drilling Production Storage Offloading,FDPSO)涡激运动特性开展了研究.采用雷诺平均法求解Navier-Stokes(N-S)方程,运用DES(Detached Eddy Simulation)湍流模型及CFD(Computational Fluid Dynamics)动网格方法对FDPSO平台的涡激运动流场特性进行了模拟;同时采用1∶80的缩尺比物理模型,在上海交通大学海洋工程国家重点实验室的海洋工程水池中进行了模型试验研究.试验考虑了系泊系统以及平台不同自由度之间耦合作用对平台涡激运动的影响,并将数值模拟和模型试验结果进行对比,分析了新型多立柱浮式钻井平台流向和横向涡激运动时间历程、频谱特性、锁定现象等以揭示其涡激运动的内在机理,为该型平台的设计提供借鉴和参考.