偏心圆柱塞状管流的流动规律

在全面调研了国内外关于两相在管道中的偏心圆柱塞状管流的研究文献之后，发现几乎都利用经验公式或近似估计式进行水力计算，这与石油工业中两相流的广泛应用极不适应。根据流体力学中N-S方程对层流的描述，再结合经典的力学理论分析，对两相偏心圆柱塞状管流的相界面提出严密而科学的力学耦合条件，得到了完整描述偏心环状管流的适定的偏微分方程组，然后利用计算机仿真技术，得到了两相流中偏心圆柱塞状管流的流动规律，对石油工业具有重要的工程应用价值。     

牛顿流体-宾汉流体的圆管分层层流的数值模拟

从流体力学中N-S方程出发，建立了圆管中牛顿流体-宾汉流体的分层层流流动的数学模型。通过两相分层层流的相互作用的流体力学分析，提出了两相流动界面的耦合条件，得到了一组完整描述两相牛顿流体-宾汉流体的圆管分层流的数学方程，再通过数值求解，得到了对工程实际应用有重要价值的流动规律。应用圆管两相分层层流的流动规律，可以实现高粘宾汉流体的高效率输送，节能效果十分明显。     

宾汉流体同心环空螺旋流数值模拟

钻井施工过程中，钻井液在环空中呈螺旋流动，准确又科学地计算这一流动的流场参数对优化钻井水力参数具有重要意义。由于宾汉流体的视粘度与轴向和旋转角速度紧密耦合，宾汉流体的本构方程又是非线性的，以及宾汉流体流核的存在，致使求解宾汉流体在环空中的螺旋流十分困难。通过全面调研。提出了一个直接利用拟线性化迭代法求解同心环空中螺旋流流场和流量，得到了极其重要的、完全有别于幂律流体的流动规律。该算法避开了求解非线性方程组及解析解中极难处理宾汉流体的流核两个难点。使用该算法一次迭代仅求解两个三对角线性方程组，利用追赶法运算速度快。时间短，精度高，收敛性得到可靠保证，为矿场作业中水力参数设计与科学实验提供了一个重要的科学依据。     

垂直向上环状流特性参数预测模型

在产水气井的垂直向上两相流动中，环流是一种非常重要的流型。对于环状流研究已由建立经验关系式的方法逐渐过渡到稳定机理模型的研究上。文中分析了机理模型研究中存在的不足，根据环状流的物理结构，应用动量守恒定律建立预测环状流特性参烽的数学模型，采用迭代法求解，解决了文献中存在的问题。     

宾汉流体定向井注水泥顶替机理

根据流体力学理论,研究了定向井注水泥的顶替机理,并提出了反映垂直井、水平井及定向井注水泥过程的数学模式。利用数值方法求解了垂直井、水平井的顶替模式,得出一些有用的结论。利用前人的实验数据,对本文的部分数学模式进行了验证,其吻合程度满足工程要求。     

水平分支型集输管汇偏流程度数值模拟研究北大核心CSCD

以水平分支型集输管汇为研究对象,选用FLUENT作为模拟软件分析了管汇入口来流气相折算速度、液相折算速度对水平双出口与水平四出口管汇偏流程度的影响规律,并开展了水平双出口分支型管汇偏流敏感性分析。结果表明,如果管汇几何结构完全对称且各出口压力相同,那么双出口管汇内各分支管的流量将会均匀分配,而四出口管汇则会出现偏流。2个分支管长度存在较小偏差对水平双出口分支型管汇偏流的影响可以忽略不计;实际生产中双出口分支型管汇偏流的主要原因为各分支管出口压力不一致和当量管径不一致,当两个分支管出口压力偏差恒定时,存在着决定管汇偏流严重程度的临界气液比;若来流气液比小于该临界值,则管汇偏流程度通常在可接受范围内。为控制由分支管管径偏差引起的偏流,建议首先可以考虑调节来流气液比,其次考虑清管处理。本文研究成果可为控制集输管汇偏流程度提供依据。     

宾汉、幂律流体在偏心环空中流动的计算机仿真

根据1987年Luo和Peden提出的方法,利用数值计算语言MATHCAD并结合现代计算机计算技术,对宾汉、幂律流体在偏心环空中流动做了数值模拟,并与工程上流行的平板模型和当量间距模型进行了比较,指出了它们的不足及使用范围,这种计算方法可以避免盲目使用平板模型和当量间距模型计算所带来的误差.实例计算结果表明,这种计算方法具有精度高、运算时间少、运算速度快、占用计算机存储量小的特点,明显比一般数值计算优越.由这种计算方法与目前工程上应用较广的计算方法相比可以看出,偏心越大,压力梯度越大及流核越大时,平板模型和宾汉简化计算模型、幂律当量间距模型的误差越大,最高分别在14.67%～65.68%、56%～52%以上.在大偏心、小流性指数与小流量时,用该计算方法进行精确计算,可避免因工程设计误差而导致的工程事故.     

油气混输管线的瞬态过程分析

在油气两相集输管线中 ,常发生瞬态变化过程 ,瞬态两相流的研究对两相流管线的优化设计和安全运行具有重要意义。简单介绍了均相流模型、两相流模型、漂移流动模型、无压波模型和简化模型等瞬态流动模型的特点。以压力波和孔隙率波的传播为例对瞬态过程作了简要分析后 ,讨论了流量变化引发的瞬态效应 ,增加气相流量 ,压力突增 ,其峰值超过最终稳态压力值 ;减小气相流量 ,压力突降 ,最低压力小于终态压力 ;而改变液体流量时管线压力变化较平缓。最后分析了瞬态模型应用于油气混输管线需要考虑的问题。     

含不同粒径混合砂粒离心泵固液两相流数值模拟

采用RNGk-ε液相湍流模型,应用欧拉方法对离心泵进行混合砂粒的固液两相流数值模拟,分析了叶轮流道速度变化、压力分布及混合砂粒对离心泵性能的影响。结果表明:随着砂粒体积分数的增加,流道速度增加;在相同工况、相同均值粒径下,离心泵扬程、效率随着砂粒体积分数的升高而降低;在相同体积分数下,离心泵扬程、效率随着砂粒均值粒径的增加而降低。     

宾汉塑性流体中旋流扶正器间距设计方法

油气井固井注水泥施工时使用旋流扶正器导流产生螺旋流的顶替方式,可以大大提高注水泥顶替效率;但是,目前油气井固井使用旋流扶正器大多凭借经验,缺乏理论依据和行业标准。对固井施工使用较多的宾汉塑性流体介质条件下旋流扶正器的井下间距设计方法进行了研究。使用聚丙烯酰胺配制相似液模拟直井条件下的环空流体进行实验,使用吊线法测取沿程旋流角,得出宾汉塑性流体在旋流扶正器导流作用后旋流衰减规律,通过受力平衡分析推导出了被顶替液静切力小于等于和大于1.81倍顶替液的动切力值时的旋流扶正器安装间距计算公式;该公式反映了井眼环空结构、旋流扶正器导流角、导叶高度,以及宾汉塑性流体性能对旋流扶正器井下间距的影响,为指导旋流扶正器井下间距设计、优化固井液的性能、合理使用施工排量提供了依据。     

非牛顿流体通过偏心环空的速度分布

根据非矩形槽模型和非牛顿Ellis模型建立了非牛顿流体偏心环空的数学模型，并在极坐标下求出速度分布分析表达式，该方法适用范围广泛，并克服了以往数值差分解法的繁琐和误差。对于钻井泥浆的设计、化学物的注入有一定的实用价值。     

螺旋套管扶正器诱导环空流场的数值模拟

为了优化固井设计、确定螺旋套管扶正器的合理安放位置、有效提升水泥浆的顶替效率,对螺旋套管扶正器诱导环空流场进行了理论分析。依据环空流体动力学基本理论,建立了环空流场的理论模型,采用数值模拟方法对螺旋套管扶正器诱导的环空螺旋流动规律进行了研究,并利用室内试验对有限元数值的计算结果进行了验证,有限元数值计算结果和激光测速试验数据吻合较好,证明了有限元数值计算方法的可行性。借助ANSYS软件对不同条件下流场的变化以及有效旋流长度的变化进行了计算,总结了螺旋扶正器螺旋角、屈服应力、流量对旋流速度以及有效旋流长度的影响规律。数值模拟结果表明,螺旋角和流量对旋流速度和有效旋流长度影响很大。      

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随着石油和天然气混相输送技术的应用和发展，两相管流的理论研究越来越受到重视。为此，提出了圆管中两相分层流动水力特性研究的新方法——旋转坐标轴法，并基于此建立了新的圆管分层紊流流动模型，得出了速度场解析分布式。此外，还用设计的掺气实验装置完成了圆管分层掺气实验，进一步验证了笔者所得出的结论：掺气可实现有效减阻。为油气混输技术的进一步发展提供了有力的理论支持。     

单段高料位气-固环流汽提器内颗粒速率分布的研究

在直径为60 0mm的半圆形有机玻璃塔内对高料位密相环流汽提器进行了研究 ,在不同的操作气速下对其不同轴向、径向位置进行了速率的测量 ,得出了轴、径向速率分布规律。在动量平衡的基础上 ,建立了单段高料位环流汽提器催化剂环流速率的半经验模型 ,模型的计算结果与实验结果能较好的吻合     

充气欠平衡钻井环空气液固三相流动力学分析

近年来,充气欠平衡钻井由于其容易实现,井筒压力调节范围大,可控制地层出水,利于井壁稳定等优点,国内外应用日渐增多。但是,充气欠平衡钻井是一门很复杂的技术,最关键的问题在于环空气液固流动是一个复杂、变化很快的动态过程,关于气液固三相流的动力学特征,迄今研究甚少。文章根据多相流体力学原理,对环空气液固三相流动力学特性进行分析,结果表明：除重力和颗粒问的相互作用力外,固相颗粒主要受到由压差阻力,摩擦阻力,视质量力,Basset加速度力,压强梯度力,马格努斯力和滑移一剪切升力组成。认识到充气钻井液在环空中的段塞流动和假液化特性对井眼净化是有利的,细小颗粒的假液化速度比粗颗粒大。     

环空充气钻井工艺设计及参数分析

针对传统寄生管充气钻井工具在环空中形成的气相分布不均匀的弊端,设计了一种新型环形气体均布寄生管充气钻井工具。根据传热学、热力学和垂直气液两相管流理论,考虑注入气体物性随井筒温度压力变化,对环空充气工艺参数进行优化分析。分析结果表明,环空压力随注气量增大先急剧降低后逐渐升高,注气量通常选择在稍大于临界点处对应的气体流量;在静压控制区环空压力变化幅度明显大于井口回压变化,环空压力变化敏感;在摩擦控制区随井口回压变化,环空压力变化幅度较小,更加缓和,易于调节。     

幂律流体偏心环空流动中钻井液粘附系数研究

为了研究偏心环空中钻井液的粘附系数,建立了幂律流体偏心环空理论模型,用有限元软件Fluent对所建模型进行了模拟计算,分析了在环空紊流模型下钻井液粘附系数与套管运动速度及偏心距之间的关系,并对比分析了钻井液粘附系数和波动压力随偏心距的变化趋势。模拟中紊流计算采用κ-ε模型,假设幂律流体做稳定不可压缩流动。分析结果表明,当偏心距从0增大到完全偏心时,钻井液粘附系数减小值大于52%,受套管运动速度的影响较小,可以忽略;钻井液粘附系数和波动压力随偏心距具有相同的变化趋势,随着偏心距的增大,环空中波动压力逐渐减小,且从同心环空到完全偏心波动压力减小了74%。