基于流固耦合技术的压裂液管流特性研究

运用固体力学与流体力学理论,在考虑流固耦合效应下,采用有限元法研究了压裂液在压裂管路内流动时结构和流体的瞬态响应,实现管路与流体间的双向耦合,得到了压裂液流经管路后流体特性的变化规律,并将直管路内流体的压降规律与现场实测的压降进行对比,误差率为2.93%,证明了该方法的正确性和可行性。据此可指导水力压裂施工工艺的制定,以提高压裂效果,对油田长期有效开采具有重要的意义。     

L管气液两相内流致振的流固耦合数值模拟

为研究气液两相混输管道的内流导致管道破坏的机理,利用ANSYS Workbench软件,建立L形弯管有限元模型和气液两相CFD模型,进行L形弯管内流致振的流固耦合数值模拟。研究结果表明:流体水平冲向弯头后动量发生改变,最大压力出现在弯角处;加载预应力的管道模态计算的频率比不加预应力的管道模态计算的频率略有增大,但幅度甚微;两相流动在垂直方向(y)上产生的振动最小,在水平方向(x)上的振动幅度次之,最大振动出现在没有固定约束的z方向;最大位移点应力随时间周期性变化,且变化幅度逐渐减小;两相流频率接近管道的2阶固有频率,易产生共振,因此应在z方向加固定约束。研究结果有助于解决海上平台管路振动问题。     

两相流作用下缓波形立管的动力响应研究

针对海洋油气开采中缓波形立管与其内部输送的流体耦合作用下容易导致立管流致振动的问题,建立了局部缓波形立管系统模型,基于k-ε湍流模型,设置不同入口气相体积分数和质量流量,建立了不同工况下缓波形立管系统的两相流双向流固耦合模型,并进行数值模拟.通过监测立管在关键点的位移、应力变化以及立管截面的流型变化,研究立管的振动规律...     

流固耦合多相多组分渗流数学模型的建立

根据流固耦合渗流的基本思想，首次建立了流固耦合渗流的运动方程，并在此基础上建立了流固耦合多相多组分渗流的数学模型，为流固耦合渗流油藏数值模拟奠定了理论基础。     

流固耦合多相多组分渗流数学模型的建立

根据流固耦合渗流的基本思想,首次建立了流固耦合渗流的运动方程,并在此基础上建立了流固耦合多相多组分渗流的数学模型,为流固耦合渗流油藏数值模拟奠定了理论基础。     

固液两相流诱发变径及T型管道振动实验研究及数值模拟

管道结构中存在变径或开孔,输送介质不可避免会引起管道振动。为准确模拟固液两相流在变径及T型管道内流动所诱发的振动情况,搭建了实验装置,设计了实验流程和实验工况。针对管道的变径和开孔特点,将管道简化成缩径管及T型管进行有限元数值模拟分析,对缩径管及T型管的实验测试数据和数值模拟结果进行拟合处理,得到了固体颗粒比例、出口流量对变径及T型管道振动的影响规律。可为固液两相流在变径及T型管道内诱发的振动分析提供技术支持。     

离心泵气液两相流数值分析

为了研究离心泵气液两相流对于该泵扬程和效率的的影响,首先采用CFD中的Fluent6.3进行单相流数值模拟与试验结果对比,说明了数值模拟的可靠性;然后采用Mixture模型计算出在设计工况下,不同气相浓度、不同气相颗粒直径在内部流场的液相分布情况,模拟结果表明:增大气相浓浓度和气相颗粒直径都会导致扬程、效率下降,且增大气相浓度对扬程、效率的下降特别显著;     

流固耦合油藏数值模拟中物性参数动态模型研究

根据流固耦合的基本思想，将渗流力学与岩土力学相结合，阐述了流固耦合油藏数值模拟的基本原理及其实现过程；将油藏开采过程中的物性参数视为应力与温度的函数，并根据体积应变的概念，导出了流固耦合藏数值模拟求解所需的孔隙度孔隙压缩系数及涌透率等物性参数动态变化的理论计算模型，为实现流固耦合油藏数值提供了有效的途径。     

水力喷射工具射孔过程液固两相流冲蚀数值模拟

鉴于国内外运用多相流数值模拟方法对水力喷射工具冲蚀研究有待深入的现状,基于多级水力喷射工具单级喷枪,采用颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日离散相模型,对水平井水力喷砂射孔过程进行流场分析及冲蚀速率计算。分析了单级喷枪上、下游喷嘴流场分布的不均匀性,以及这种不均匀性导致的工具内部各个喷嘴冲蚀速率的差异。分析结果表明,水力喷砂射孔过程中,水力喷射工具单级喷枪上、下游喷嘴流场呈现不均匀性,上游喷嘴单位时间通过的液体多于下游喷嘴,下游喷嘴的砂浓度高于上游3个喷嘴;水力喷射工具单级喷枪内壁面和外壁面都会受到液固两相流体的严重冲蚀,最大冲蚀速率发生在喷枪内壁下游喷嘴入口区域。     

液固两相流盲三通冲蚀特性数值分析

盲三通内特殊的"气垫"结构可以在节省空间的同时提升管道的抗冲蚀性能。为了分析液固两相流环境下弯管和盲三通内的流场分布,并对比其抗冲蚀性能,分析冲蚀机理,运用CFD-DPM方法对相同直径弯管和盲三通内的流场进行了数值计算。通过对几何模型进行网格无关性验证来确定最佳的网格数量,选用Realizable k-ε湍流模型、McLaury冲蚀预测模型和Forder壁面反弹恢复模型来计算冲蚀速率。分析结果显示:盲三通的最大冲蚀速率明显低于弯管;弯管的主要冲蚀部位位于中心区域的外侧壁面,盲三通的冲蚀区域主要位于相贯线附近和出料管底部;在盲三通内存在缓冲涡,可以阻止固体颗粒对壁面的直接撞击,从而减轻对管道的冲蚀;随着流体流速的增加,冲蚀逐渐加重,且流速较高时,冲蚀速率增加幅度越大;随着颗粒质量流量的增加,冲蚀速率呈线性增加,增长斜率随长径比的增大而减小。所得结果对于管道的设计选用及长周期安全运营有一定的参考价值。     

Experimental Investigation and Numerical Simulation of Two-Phase Flow in a Large-Diameter Horizontal Flow Line Vertical Riser

Abstract

As oil and gas field development moves further into deep seas, maximizing hydrocarbon extraction at an acceptable cost is one of the greatest challenges facing the industry today. In this regard, considerable attention has been given to understanding the flow behavior in long and deep flow line risers of different topologies through transient multiphase simulation. However, the application of the large diameter to the above scenario is still an unresolved issue creating a great deal of uncertainty. This is mainly due to the limitation of the available experimental and field data being confined to much smaller diameters.

In view of the aforementioned, an experimental campaign to investigate the flow behavior in a 254-mm nominal-diameter horizontal flow line vertical riser has been performed. A numerical model to study the dynamic behavior of the large-diameter horizontal flow line vertical riser system is also developed using OLGA software with the intention of identifying the capability of this software. This article presents the comparison of the simulation and experimental data in terms of near riser base and flow line pressure variations along with flow regime predictions. The existence of the multiple roots in the OLGA code is also reported for the first time. Additionally, a review on the state-of-the-art application of the code and analysis of the numerical experiment performance of the code are included.     

高含水采出液T形管分离器的流场数值模拟

传统的油田集输工艺损耗能量大,运行成本高.鉴于此,基于Fluent数值模拟软件,采用RNG k-ε湍流模型和欧拉多相流模型对T形管分离器的流场特性以及油水分离过程展开研究.研究结果表明:油水两相速度分布规律基本相同,在主管中沿流动方向速度逐渐降低,分支管中速度最大,水相在主管顶部区域速度较小,在汇管中上述分布趋势更加明...     

基于流固耦合的闸板防喷器建模及有限元分析

为了更加准确地分析流体对闸板剪切力的影响规律,需要对闸板防喷器剪切钻杆进行流固耦合分析。以钻杆窜动和扭转2种动态工况为例,利用SolidWorks建立闸板防喷器三维模型,并对防喷器内部流体域进行有限元建模,输出到ANSYS Fluent进行有限元分析。结果表明:在闸板剪切钻杆过程中,流体达到稳态后,在钻杆窜动工况下,流体力随钻杆受载荷力增大而减小; 在钻杆扭转工况下,流体力随钻杆扭转角度而变化,在扭转90°时流体力最大。研究结果可为防喷器剪切闸板的剪切能力分析及结构设计提供参考。     

多级离心泵内动静干扰流场的数值模拟

为了分析离心泵内动静干扰作用和压力脉动特性,基于Fluent软件并运用滑移网格技术求解了三维非稳态Navier-Stokes方程和标准的κ-ε湍流方程,并对内部流场进行了多工况非定常数值模拟。计算得出了离心泵的性能曲线,还得到了内部的压力和速度分布以及在不同流量下的压力脉动时域和频谱特性。计算结果表明,叶轮出流因受到导叶叶片头部的阻挡干扰,导致局部流体出现涡流;各工况下离心泵内压力脉动呈明显的周期性变化规律;叶轮与导叶间动静耦合处的压力脉动主要受叶频的影响,叶频是流道内压力脉动的主频;不同流量下主频相同,但主频振幅稍有不同;旋转叶轮与静止导叶间的动静耦合作用是压力脉动的主要来源。     

喷油嘴内部空穴流动模拟计算分析。

利用多相流空穴模型对喷油嘴稳定喷射时喷孔内的空穴流动现象进行了三维数值模拟,分析了空穴在喷油嘴内的形成机理及其分布情况,,基于此模型进一步研究了喷油压力、背压及喷孔人口圆角半径与喷孔k系数对喷孔内部空穴分布的影响。通过模拟计算可知,喷射压力降低和背压增加、增大喷孔入口圆角半径及喷孔k系数后,喷孔内空穴将减小。     

高压空冷器入口管束内流动参数分布特性的数值模拟

为揭示腐蚀性介质输送导致的高压空冷器入口管束的流动腐蚀失效机理,准确预测管束的高风险位置,提出了以传质系数和剪切应力作为空冷器入口管束流动腐蚀的关键表征参数。采用Mixture模型和SST k-ω湍流模型对空冷器入口管束段进行数值模拟,获得了入口管束内传质系数和剪切应力的分布特性。结果表明：空冷器入口配管存在偏流现象,引起管束内流动参数左右不对称。其中,传质系数与剪切应力的最大值重合位置位于a管排位号为a13-a14、a34-a35管束的R1区域（即Z为11.5~26.4 mm）,为流动腐蚀失效的高风险区域。对比失效案例可知,传质系数、剪切应力分布的最大区域与管束腐蚀泄漏失效的区域基本一致,验证了表征参数和预测方法的准确性。研究成果有望为高压空冷器的耐流动腐蚀优化设计和在役风险检验提供理论支撑。     

超高压水射流冲击应力分布规律的数值分析

由于高压水射流破岩涉及的因素较多,且水射流作用过程复杂,致使水射流冲击下介质内部的应力分布一直未能被准确揭示,从而制约着水射流技术的应用和发展。运用全解耦的流固耦合理论,建立了超高压水射流冲击弹性非孔隙介质的应力分布计算的数值模型,其中水射流采用标准K-ε双方程模型和控制体积法,介质采用固体有限元法,给出了水射流与介质耦合的数值算法。根据建立的理论模型,计算了介质在不同水射流速度冲击下流场压力和介质内部的应力分布规律。计算结果表明,在超高压水射流冲击作用下,固体介质受力局部效应明显,冲击区内介质基本处于受压状态,最大拉应力值位于介质表面,最大剪切应力位于冲击中心下部约0.5倍喷嘴直径的位置。控制好水射流喷射速度与喷距,可以提高水射流清洗、切割、破碎和表面处理效率。     

流动单元约束的油藏数值模拟研究

油藏数值模拟在油田开发方案的编制和确定、油田开采中生产措施的调整和优化、剩余油形成与分布以及提高油藏采收率方面,已逐渐成为一种不可欠缺的研究手段。油藏数值模拟的精度主要受油藏地质模型的精细程度和模拟模型的求解精度的影响。从提高油藏地质模型精度入手,将流动单元与油藏数值模拟相结合,通过利用流动单元细分模拟层系和针对不同的流动单元选取相应的相对渗透率曲线,提高油藏数值模拟的精度。模拟结果表明,流动单元约束的油藏数值模拟模型具有初始拟合程度高、模型修改程度低、能够更精确的反映层内和平面剩余油分布的特点。     

基于流固耦合的尼龙网流场特性及变形分析

考虑到柔性网衣在水流作用下易发生变形,会造成网箱有效体积减小并伴随网衣撕裂风险,因此研究网衣周围流场变化及网衣变形特性具有重要意义。基于剪应力SST k-ω湍流模型,结合ANSYS Workbench的单向流固耦合(Fluid-Solid Interaction, FSI)方法,将网衣所受压力作为输入载荷施加在平面网表面,研究在不同流速、网衣密实度和攻角情况下平面尼龙无结网衣的流场特性,对大变形非线性网衣结构的有限元模型进行分析。结果表明基于FSI的单向耦合数值模拟用于平面网衣变形及流场特性分析具有可行性,网衣造成的流速降低现象在不同攻角条件下的差异较明显。得到网衣水动力系数在不同流速、网衣密实度和攻角下的变化情况,以及平面网的等效应力分布特点和变形随攻角变化的特性,发现从网衣中心网线至边缘位置网线处的应力由大逐渐变小,最终在网线固定端附近发现应力最大位置。