页岩气开采中的若干力学前沿问题

页岩气的开采涉及破裂和收集输运两个关键过程.如何实现2000,m以下、复杂地应力作用下、多相复杂介质组分的页岩层内网状裂纹的形成,同时将孔洞、缝隙中的游离、吸附气体进行高效收集,涉及到诸多的核心力学问题.这一工程过程涵盖了力学前沿研究的诸多领域:介质和裂纹从纳米尺度到千米尺度的空间跨越,游离、吸附气体输运过程中微秒以下的时间尺度事件到历经数年开采的时间尺度跨越,不同尺度上流体固体的相互作用,以及压裂过程中通过监测信息反演内部破坏状态等.针对近年来我们国家页岩气勘探开发工作所取得的成就及后续发展中面临的前沿力学问题,在综合介绍页岩气藏的基本特征和开发技术的基础上,以页岩气开采中的若干力学前沿问题为主线,从页岩力学性质及其表征方法、页岩气藏实验模拟技术、页岩气微观流动机制及流固耦合特征、水力压裂过程数值模拟方法、水力压裂过程微地震监测技术、高效环保的无水压裂技术等6个方面的最新研究进展进行了总结和展望,结合页岩气藏开发的工程实践, 深入探究了其中力学关键问题,以期对从事页岩气领域的开发和研究的从业人员提供理论基础, 同时,该方面的内容对力学学科、尤其是岩土力学领域的科研工作也具有重要指导价值.      

煤粉燃烧中NOx和SOx生成的详细反应机理模拟

采用详细化学反应机理与CFD方法耦合的煤粉燃烧数值模拟程序，计算了煤粉燃烧过 程中CO, NOx和SOx等的浓度分布特性. 通过与实验对照，验证了数值模拟方法的 可靠性，并分析了燃烧温度和煤粉细度等因素对于NO生成的影响. 结果表明温度对于NO的 生成影响较大，随着温度的增加，NO的生成浓度明显增加；对于不同煤种，可能存在一个温 度点，这时NO的生成速率将非常快；在计算范围内，温度对SO2的最终生成浓度没有 明显影响，而只影响SO2的释放过程. 煤粉细度对于NO生成有较小的影响.     

高浓度煤粉火焰中煤质对最佳煤粉浓度的影响

高浓度煤粉火焰对装有浓淡燃烧器的煤粉燃烧系统的着火具有十分重要的作用。本文在一简化的燃烧系统和一配备浓淡燃烧器的1 MW切圆煤粉炉内进行了大量试验,研究了煤质对最佳煤粉浓度C_(opt)的影响规律,在该最佳煤粉浓度下燃烧系统具有最高的火焰温度及最低的飞灰含碳.试验结果表明:对于所有的高浓度煤粉火焰均存在一最佳的煤粉浓度,着火特性差的无烟煤的最佳煤粉浓度显著高于着火特性更佳的烟煤,该最佳煤粉浓度随着煤质发热量Q与挥发分V乘积的增大而降低,并存在一经验公式C_(opt)=1.069-0.051·10~(-5)·V·Q。     

乳化液喷雾与微爆现象的激光全息实验研究

本文采用离轴高速多脉冲红宝石激光全息摄影仪研究高温高压环境中乳化液喷雾的雾化和蒸发过程,记录方式为象面全息方式,再现时分别采用激光和白光光源。实验发现:在适当的温度压力条件下,乳化液喷雾可以发生微爆现象,微爆呈团状,又称“团状微爆”,也称为“二次雾化”,微爆能量可以将众多的小液滴及液滴碎片抛出液束区,有效地改善液体与环境气体的混合过程,具有重要的理论意义和实用价值。     

流化床焚烧炉中颗粒扩散特性理论研究

本文建立了流化床焚烧炉中粒子扩散方程,通过求解方程,得到了鼓泡床和内旋流床中颗粒扩散特性,并与试验结果进行了对比,两者符合较好。结果表明鼓泡床横向扩散能力较差,而内旋流床有很好的横向扩散特性,非常有利于废弃物在床内的快速扩散。     

图像技术在非均匀布风流化床颗粒运动分析中的应用

通过实验得到了非均匀布风流化床内示踪颗粒在床层内的运动历程,以及床层内颗粒的浓度分布随时间的变化,并发纳得到颗料在非均匀布风的内旋流流化床中不同区域的扩散系数,内旋流流化床颗粒的纵向扩散系数和横向扩散系数大小相近,横向扩散系数明显大于均匀布风的鼓泡床的横向扩散系数,具有较好的横向扩散特性,有利于使流化床内横向不均匀的状况得到改善。     

采用详细化学反应机理研究煤富氧燃烧NO_x生成机制

本文采用详细化学反应机理,建立氧煤燃烧气固反应模型,分析煤在富氧燃烧条件下NO_x生成机制,研究不同O₂浓度和分级燃烧对NO_x排放的影响。富氧燃烧时,NO_x生成主要路径为:HCN→CN→NCO→NO和HCN→CN→NCO→HNCO→HN₂→NH→HNO→NO。初始O₂增大,挥发分和HCN析出时间提前,高的O₂初始浓度对燃料N转化率有促进作用;煤富氧分级燃烧时,主燃区还原气氛有利于NO还原为N₂,其主要还原路径如下:NO+CO→N+CO₂、NO+H→N+OH和NO+N→N₂+O,当主燃区过量空气系数SR₁从1.15减小到0.6,N最终转化率（t=1000 ms）只是从0.379减小到0.339,相对于未分级燃烧时变化了10.55%,与煤空气分级燃烧相比,煤富氧分级燃烧对N转化率影响较小。     

高频高压电场对甲烷预混倒置焰锥火焰的影响与分析

采用平面火焰燃烧器实现了一种甲烷预混倒置焰锥抬升火焰,在没有发生放电击穿的条件下着重分析了高频高压电场对火焰的影响。实验观测发现倒置焰锥火焰的抬升高度受高频高压电场的增强而降低,并且焰锥夹角随电压的增加而减小。对照实验现象分析,结果表明由于高频高压电场带来的离子风效应较小,高频高压电场对火焰面中电子或离子参与的化学反应碰撞的增强可能是最主要的原因。     

脉冲管制冷机蓄冷器的热力学循环数值分析

脉冲管制冷机内部工质气体热力学循环是理解脉冲管制冷机制冷机理的一个重要方面。本文采用拉格朗日方法对制冷机蓄冷器内部气体微团热力学循环进行了数值统计分析,结果表明,对于变频率和充气压力工况,蓄冷器内单位质量气体单位时间内循环换热量和制冷机能达到的最低制冷温度紧密相关。     

内旋流流化床燃烧稳定性研究

城市生活垃圾焚烧需要稳定均匀的温度来减少燃烧产生的大气污染物。采用内旋流流化床进行了垃圾焚烧实验,通过改变垃圾处理量、垃圾种类和流化床浓相床区高度,研究了浓相床区温度的稳定性和焚烧炉内温度分布。