超临界CO2直旋混合射流破岩特性的实验研究

超临界二氧化碳(CO₂)射流破岩既能降低岩石门限压力又能有效保护储层,直旋混合射流兼具直射流和旋转射流特点可提高破岩效率,基于此提出了超临界CO₂直旋混合射流的破岩方法。为了揭示超临界CO₂直旋混合射流破岩特性,设计加工出叶轮式直旋混合射流喷嘴,通过岩石定点冲击破碎实验对比了该射流与常规水射流的破岩效果,并研究了叶轮长度、叶轮中心孔直径、混合腔长度、喷射距离、射流压力等重要参数对超临界CO₂直旋混合射流破岩效果的影响。结果表明:相同实验条件下,该射流方法的平均破岩能力比常规水射流提高了42.9%;超临界CO₂直旋混合射流破岩易出现较大体积岩屑崩落现象;随着叶轮长度、混合腔长度、喷射距离的增大破岩效果均先增强后减弱,实验条件下上述参数存在最优范围值;叶轮中心孔直径的增大会导致岩石破碎孔深度增加、直径减小;随着射流压力的升高,超临界CO₂直旋混合射流破岩效果有着较为明显的提升。研究结果可为超临界CO₂直旋混合射流破岩方法的进一步研究提供实验依据。     

人造龙卷效应在抽油烟机上的应用

首次在普通抽油烟机前部加装旋转的屏蔽射流装置,使抽油烟机抽吸流场与旋转射流流场相耦合以得到人造龙卷风流动流场,并利用该人造龙卷风实现对油烟的控制抽吸。建立了加装旋转射流装置的抽油烟机数值计算模型,依据计算流体动力学理论对所建立的模型进行了数值计算分析,得到了稳定的人造龙卷抽吸流场;同时,通过与实验得到的稳定的龙卷抽吸流场进行对比,进一步证实了人造龙卷风控制抽吸应用于抽油烟机的可行性。另外,研究了旋转屏蔽射流流量对龙卷抽吸流场的影响,数值计算分析结果表明:当射流流量从0m3/s增加到0.068m3/s时,龙卷中心负压值增加,距抽吸口0.6m的位置负压值从-0.0025Pa增至-2.0356Pa;轴向速度衰减速度变缓,距抽吸口0.6m位置的轴向速度值从0.1m/s增至0.28m/s;切向旋转速度增大。可见,射流流量的增加对龙卷抽吸流场的形成是有利的。     

考虑CO2吸附和滑脱效应影响的页岩渗透率演化机制研究

为探究气体吸附以及滑脱效应对页岩渗透率的影响规律,利用自主研制的渗流装置,开展了CO₂的脉冲衰减渗流试验。试验结果表明：在低孔隙压力下,CO₂吸附对渗透率计算结果影响较大,随着孔隙压力增大,CO₂吸附对渗透率的影响逐渐减小;通过修正后的滑脱效应渗流公式对渗透率进行拟合,发现修正后的滑脱效应公式与渗透率变化趋势更加贴合;利用滑脱效应贡献率量化分析滑脱效应对渗透率的影响规律,孔隙压力为2.5MPa～4MPa时,滑脱效应对渗透率影响较大,贡献率达到27.78%,随着孔隙压力的增大,贡献率逐渐下降至8.44%,在低孔隙压力条件下,滑脱效应影响更加明显,随着孔隙压力的增大,滑脱效应影响呈指数形式逐渐减小。     

固体火箭燃气射流驱动液柱过程的CFD分析

固体火箭燃气射流驱动液柱过程会产生一个复杂的非稳态多相流场,为了研究液柱对固体火箭发动机工作过程中射流流场的降温效果,并揭示燃气冲击液柱的流动演化和气水之间的相互作用,利用FLUENT软件中耦合了液态水汽化方程的VOF多相流计算模型对燃气与液柱之间的耦合流动及相变过程进行了数值模拟,并与无液柱情况下射流流场的计算结果进行了对比分析。计算结果表明,当有液柱平衡体时射流流场中的压力、温度、速度波动幅度均减小,减弱了射流流场中的湍流脉动强度;液柱与燃气之间的汽化以及液柱的阻碍作用减小了射流流场的轴向发展位移,尾管后的完全发展射流流场核心区域内的压力峰值降低了0.9 MPa,温度峰值降低了503 K,速度峰值降低了291 m/s,验证了实验中液柱对燃气射流流场的降温效果。     

超临界CO2气爆煤体致裂机理实验研究

为提高超临界CO₂气爆低渗透煤层增透技术的应用水平,进一步研究超临界CO₂气爆煤体致裂机理,利用自主研发的超临界CO₂气爆装置,在多通道电液伺服相似材料试验台上,对原煤和混凝土大试件(1 m×1 m×0.5 m)进行了超临界CO₂气爆实验,用动态应变仪采集试件内部监测点处的变形和破坏信息,并用工业窥镜对爆破孔内裂隙分布进行了观测。分析气爆应力波的变化规律和气爆后试件的破坏形貌特征可知,距离气爆孔由近及远依次分为粉碎区、裂隙区和震动区,其形成机理为:超临界CO₂冲击气爆孔周围介质并形成远超介质抗压强度的球面纵波,介质在径向压应力作用下发生粉碎性破坏,形成粉碎区;应力波传播能量逐步衰减,不足以使介质产生压缩破坏,然而脆性材料抗压不抗拉,其产生的环向应力仍然使介质产生径向裂隙,应力波之后具有准静态加载作用的高压CO₂气体进入裂隙形成气楔,促使裂隙进一步发育和扩展,形成裂隙区;裂隙区以外的介质在低能量应力波的作用下只发生震动,未发生明显破坏,即震动区。裂隙的扩展速度与其到气爆孔距离符合“S”形曲线衰减,裂隙的高速扩展发生在粉碎区,低速扩展发生在裂隙区;距离气爆孔越远,测点的峰值应变越小,相同距离内节理裂隙等结构面越复杂,峰值应变减小的幅度越大且应变波形差别越大。     

RESEARCH ON PRESSURE WAVE PROPAGATION CHARACTERISTICS IN THREE-PHASE FLOW DURING MANAGED PRESSURE DRILLING

考虑虚拟质量力、相间阻力、气相溶解度及滑脱速度等因素,在双流体模型基础上,建立了控压钻井中油-气-钻井液三相流体压力波速模型. 将溢流气体视为气相,将溢流油相及钻井液相视为液相,液相弹性模量及密度等参数为油相及钻井液相中各参数的加权和,利用半隐式差分及小扰动理论等数学方法,借助计算机编程对其求解. 结果表明,当井底气侵量从0.36m³/h 增至3.6m³/h,波速减小峰值为498.59m/s,而相同的油侵增加量,波速呈缓慢减小趋势,波速减小峰值为19.21m/s;当回压从0.1MPa 增至9.0MPa,波速呈增大趋势,波速增大峰值为233.15m/s;不考虑虚拟质量力,在低频段引起的波速误差呈增大趋势,在高频段引起的波速误差峰值稳定于10.03%.     

近场水下爆炸气泡脉动及水射流的实验与数值模拟研究

海上作战时,近场水下爆炸形成的水射流能造成水面舰船结构的严重局部毁伤。为了研究近场爆炸时舰船底部水射流的形成机理及规律,开展了TNT当量2.5 g的炸药在固支方板底部不同爆距下起爆的水下爆炸实验。结果表明,气泡坍塌形成水射流的过程随着爆距的增加由吸附式向非吸附式转化。接着,基于ABAQUS软件采用CEL方法开展了系列数值模拟,结果表明:爆距在0.821～0.867倍最大气泡半径时,存在吸附式射流向非吸附式射流转化的临界点;固支方板加快了气泡坍塌的进程,炸药与钢板间的距离越小则射流形成的时间越早;射流形成过程中最大速度和射流击中钢板时速度均随着爆距的增大先增大后减小,并在临界点附近达到最大值,射流速度最大可达621 m/s,射流击中钢板时速度最大可达269 m/s。最后,给出了射流开始形成时间、射流最大速度、射流最大速度出现时间、射流击中钢板速度和射流击中钢板时间与距离参数的函数关系式。     

页岩储层纳微米孔隙CO2/CH4吸附及驱替特性研究进展

利用CO₂开采页岩气不仅能够提高页岩气采收率, 还能够节省水资源并且对CO₂进行地质封存, 有助于实现页岩气开采过程的碳中和. 富有机质页岩储层纳微米孔隙中气体运移机制不同于常规储层, CO₂在储层中具有超临界特性, 致使开采机理复杂, 无法得到CO₂开采页岩气微观机理的准确认识, 所以研究CH₄, CO₂及其二元混合物在页岩储层纳微米孔隙中的吸附及驱替特性对准确评估和高效开采页岩气至关重要. 本文从实验、理论以及模拟方面对页岩储层纳微米孔隙中CH₄的吸附特性、CO₂/CH₄二元混合物竞争吸附特性以及驱替特性进行了综合分析, 对气体在纳微米孔隙中吸附及驱替特性的基础研究及关键问题进行讨论分析并提出了展望. 研究表明CH₄在页岩储层中表现为物理吸附, 有机质特征(丰度、成熟度、类型)、孔隙结构、无机矿物组成、温度和压力、含水率对页岩的CH₄吸附能力均有一定程度的影响. 在相同条件下, CO₂比CH₄更易被页岩储层吸附, 在页岩储层中注入CO₂可以促进CH₄的解吸, 并有利于CO₂的地质埋存. 开采方案的部署可采用井网形式的注采方式, 可以通过调整注入井的位置、数量以及CO₂注入速率对开采方案进行优化.      

旋转爆震燃烧室轴向和周向长度对其出口流场压力和温度的影响

为了研究旋转爆震燃烧室与涡轮的匹配特性,利用二维欧拉方程数值研究了基于当量H₂/Air燃烧的旋转爆震燃烧室出口流场特性,对比分析了不同燃烧室轴向长度和周向长度出口总压脉动、总压畸变以及出口温度分布规律。结果表明:旋转爆震燃烧室在稳定工作状态下,其出口总压的脉动值会呈现周期性振荡;燃烧室尺度对发动机出口流场的不均匀性有很大影响,随着燃烧室轴向长度的增大或周向尺寸的减小,其出口总压脉动均值、畸变指数和出口温度分布系数均会减小,其出口流场均匀性提高。此外,爆震波高度随着周向尺寸的增大而增大;轴向尺寸对爆震波高度几乎不产生影响。     

增强型喷射器对爆轰波DDT过程的影响

在激波、火焰及射流同时存在的流场中，组织燃烧转爆轰过程是脉冲爆震发动机实现点火、起爆的关键问题。设计一类喷射器，采用C₂H₂/O₂/Ar反应，数值验证了该喷射器能增强爆震室燃料燃烧转爆轰的可行性，并讨论了流场中热点的点火机制。结果显示:该装置在流场中可激发不稳定性，产生漩涡，加速能量、质量的交换。流场产生热点，促进火焰速度加快，追赶前导激波。喷射器位置影响前导激波的运动速度。在一定范围内，前导激波速度越大，碰撞产生的热点越容易激发燃烧转爆轰过程。     

CL-20/HMX共晶冲击起爆模拟

采用非平衡分子动力学方法模拟了CL-20/HMX共晶炸药冲击压缩和化学反应行为，获得了密度以及粒子速度的时空分布、冲击雨贡纽、冲击起爆压力、爆轰压力等数据，以及主要中间产物和稳定产物分布。模拟结果显示，共晶的初始分解路径是CL-20中N—NO₂键断裂，主要稳定产物是N₂、CO₂和H₂O。CL-20和HMX的分解速率随着冲击波速度的增加而增加，并且逐渐接近，但各冲击条件下CL-20分子的衰减速率均大于HMX。     

New printed circuit heat exchanger with S-shaped fins for hot water supplier

A new PCHE with an S-shaped fin configuration was applied to a hot water supplier in which cold water of 7 °C is warmed to 90 °C through heat-exchange with supercritical CO₂ of 118 °C and 11.5 MPa pressure. The fin and plate configurations were determined using 3D CFD simulations for the CO₂ side and H₂O side and the thermal–hydraulic performance of hot water supplier was evaluated. Compared with a hot water supplier that is currently used in a residential heat pump, the new PCHE provides about 3.3 times less volume; and lower pressure drop by 37% in the CO₂ side and by 10 times in H₂O side.     

大气/钢靶板交界处对平行入射聚能射流干扰的数值模拟

利用非线性动力学软件LS-DYNA,对聚能射流平行入射大气/钢靶板交界处的侵彻过程进行了数值模拟.通过分析数值模拟过程和结果,讨论了聚能射流头部速度和碰撞出口处横向速度的变化规律.结果表明:大气/钢靶板交界处不仅降低了聚能射流头部的轴向速度,而且使射流头部产生横向偏移,最大速度达到约1.8 km/s;后续射流横向偏移速...     

Measurement and simulation of the two-phase velocity correlation in sudden-expansion gas-particle flows

In this paper the present authors measured the gas-particle two-phase velocity correlation in sudden expansion gas-particle flows with a phase Doppler particle anemometer(PDPA) and simulated the system behavior by using both a Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) model and a large-eddy simulation(LES).The results of the measurements yield the axial and radial time-averaged velocities as well as the fluctuation velocities of gas and three particle-size groups(30 μ m,50 μ m,and 95 μ m) and the gas-particle velocity correlation for 30 μ m and 50 μ m particles.From the measurements,theoretical analysis,and simulation,it is found that the two-phase velocity correlation of sudden-expansion flows,like that of jet flows,is less than the gas and particle Reynolds stresses.What distinguishes the two-phase velocity correlations of sudden-expansion flow from those of jet and channel flows is the absence of a clear relationship between the two-phase velocity correlation and particle size in sudden-expansion flows.The measurements,theoretical analysis,and numerical simulation all lead to the above-stated conclusions.Quantitatively,the results of the LES are better than those of the RANS model.     

中国海域盆地CO2地质封存选址方案与构造力学分析

本文围绕“碳达峰、碳中和”国家战略目标,从断裂活动、盆地压力、构造沉降特征、地震活动性和地温梯度等角度综合分析中国海域盆地适宜大规模CO₂地质封存的条件与目标,在宏观上认为东海陆架盆地、珠江口盆地、琼东南盆地东部以及南海中央海盆是最佳CO₂地质封存区域,但这并不排除其他盆地内部存在适宜的CO₂地质封存点,因为具体某个地质封存工程目标的范围相对较小.东海陆架盆地、珠江口盆地和琼东南盆地内适用于CO₂地质封存的地层包括盆地晚期快速沉降期沉积层的底部咸水层和热沉降沉积层内的含油气单元,在适宜的海底之下800～4000 m深度范围内,孔隙度大于10%,静水压力约在8～40 MPa之间、静岩压力约在13～83 MPa之间变化.在此压力范围和合适的地温梯度范围内, CO₂以超临界状态存在,其密度随温压变化相对稳定,有利于CO₂的流动和渗透.另外,盆地内的基性岩浆岩建造的规模和数量也为CO₂地质封存和永久矿化提供了很好的条件.虽然工程难度大和代价高...     

Direct numerical simulation of particle-laden plane turbulent wall jet and the influence of Stokes number

The distribution and motion of inertial particles in plane turbulent wall jet are investigated using direct numerical simulation, under the assumption of one-way coupling. To our knowledge, this appears to be the first direct numerical simulation of a particle-laden plane turbulent wall jet. It is shown that, in outer part of the wall jet, the behaviour of particles closely resembles that of a free plane jet. Due to the streamwise decay of particle Stokes number, the particle streaks formed in the near wall region of the wall jet are characterized by their intensity variation, which differs significantly from those in the channel flow. The streamwise growth of the particle velocity half-width is approximately equal to that of the fluid velocity half-width and the maximum velocity of particles decays slower than that of fluid due to inertia. The outer scaling can collapse the mean particle velocity in both the inner and outer region for heavier particles. In the buffer region, the particle–fluid velocity difference can be negative or positive depending on the Stokes number since there are two competing effects, namely the memory effect and turbophoresis. In the viscous region, the larger particles are on average faster than fluid and the velocity difference is found to be self-similar depending on outer Stokes number. The near-wall distribution of velocity difference is significantly correlated with the presence of high-momentum particles which are entrained by vortical structures generated in the outer region of the wall jet. These results are useful for environmental and engineering applications.     

A study of the flow characteristics in micro-abrasive jets

An experimental study of particle velocities in micro-abrasive jets by using the particle image velocimetry (PIV) technique is presented. It has been found that the particle jet flow has a nearly linear expansion downstream. The particle velocities increase with air pressure, and the increasing rate increases with nozzle diameter within the range considered. The instantaneous velocity profile of the particle flow field in terms of the particle velocity distribution along the axial and radial directions of the jets is discussed. For the axial profile in the jet centerline downstream, there exists an extended acceleration stage, a transition stage, and a deceleration stage. For the radial velocity profiles, a relatively flat shape is observed at a jet cross-section near the nozzle exit. Mathematical models for the particle velocities in the air jet are then developed. It is shown that the results from the models agree well with experimental data in both the variation trend and magnitude.     

Modelling the erosion efficiency of cavitation cleaning jets

A model is presented of the erosion damage and cleaning efficiency of cavitation and conventional cleaning jets. The effect of supply pressure, jet velocity, standoff distance, nozzle diameter and type of fluid are considered and assessed in relation to experimental findings.