超临界CO2在低渗透煤层中渗流规律的实验研究

利用自主研发的THM三场耦合渗流实验系统,进行不同孔隙压力和温度条件下的超临界CO2在低渗透煤层中的渗流实验,得出不同温度下流速和压力梯度之间的关系,从而得到了低渗透煤层注入超临界CO2的非达西渗流规律,即流速与压力梯度变化规律呈现正指数关系.随着压力梯度的增大,渗透系数也不断的增大,且呈现正指数关系;在同一体积应力和压力梯度的条件下,温度越高,流速越快;温度在临界点附近,流速和渗透系数增加很快.     

超临界CO2气爆非均质煤体破裂规律模拟研究

为揭示超临界CO2气爆含割理裂隙非均质煤体的致裂规律,开发了识别实际煤体图像获取其割理裂隙几何信息的M atlab程序,将几何信息与煤体非均质物性参数关联并导入Abaqus中,实现了非均质煤体有限元表征,并采用SPH与FEM联合求解的方法模拟超临界CO2气爆非均质煤体的致裂过程,得到了弱面倾角、弱面到爆孔中心距离及初应力的变化对煤体气爆致裂效果的影响规律.模拟结果表明,初应力对主裂缝的萌生和扩展具有导向作用,气爆裂缝沿最大初应力方向扩展;弱面倾角相同时,弱面离爆孔越近,穿过弱面的裂缝尺度和密度越大,弱面离爆孔较远时,弱面完全阻断了裂缝的扩展;弱面到爆孔中心距离相同时,弱面倾角越大,弱面对裂缝扩展的阻碍作用越大,穿过弱面的裂缝尺度和密度越小,应力波透射率越小.现场气爆增透煤体时,应考虑割理裂隙和地应力特征合理布置气爆孔位置及爆破参数.     

超临界CO2作用后煤微观结构与渗透率变化规律实验研究

在宏观超临界CO_2增透实验基础上进行微观成像实验,提取煤微观孔隙特征,自编Matlab程序,计算孔隙率,得到煤各微区孔隙率和渗透率矩阵,绘制孔隙率和渗透率等值线图。结果表明:增透实验前后煤微观结构差别显著,经超临界CO_2作用后,煤微观孔隙充分发育,孔隙的数量、尺寸明显增加,孔隙率是增透前的9.11倍;随着孔隙压力的增大,煤中粒间孔隙数量增多,孔隙之间的连通性增加,孔隙率呈指数增大的趋势,煤体各微区孔隙率等值线密集程度增加;煤体的渗透率随着孔隙率的增加呈正指数递增的趋势,且随着孔隙压力的增加,渗透率呈指数递增的变化规律,渗透率等值线的密集程度增加,宏微观实验结果是一致的,随着注入超临界CO_2孔隙压力的增加,煤微观孔隙结构的发育程度提高,为煤层气的运移提供更多的通道,有效提高了煤体的渗透性。     

超临界CO2作用下煤体膨胀变形规律试验研究

为解决采用应变片对超临界CO_2作用下煤体膨胀变形进行点测量时,试验结果离散性大、超临界CO_2作用导致应变片易脱离破损等问题,自主研发了具有施加热流力载荷功能的膨胀体积应变测量装置,对不同温度、压力的超临界CO_2作用下,煤体膨胀体积变形规律进行研究。结果表明:煤体膨胀体积应变随超临界CO_2作用时间增加呈现先增大后趋于稳定的变化规律;当孔隙压力不变时,膨胀体积应变随超临界温度的升高而增加,温度越高,达到稳定膨胀变形所需时间越长;当温度不变时,随着超临界孔隙压力增加,膨胀体积应变也随之增大,但达到稳定膨胀变形所需时间随孔隙压力的升高呈先增加后减少的趋势;超临界CO_2作用下,煤体体积应变随温度和孔隙压力均呈\"S型\"Logistic函数规律变化;膨胀体积应变对超临界温度和孔隙压力的变化率具有分区性,其变化率大小排序依次为:近临界区跨临界区高临界区。     

不同温压超临界CO2气爆喷孔冲击应力变化规律实验研究

为研究不同温压条件下超临界CO2气爆过程中气爆管喷孔喷射的爆生气体对被爆物体产生的冲击应力变化规律,自主设计了超临界CO2气爆实验系统及数据采集装置,实验得到了在不同初始温度和压力下对称双喷孔喷射的超临界CO2气爆爆生气体冲击应力变化规律:喷孔喷出的爆生气体作用于被爆物体的冲击应力经历应力激增、应力剧减和应力减速衰减三个阶段。冲击应力时程变化曲线呈脉冲波形曲线特征,且冲击应力衰减阶段持续时间大于冲击应力激增持续时间。冲击应力随初始温度和初始压力的增大而增加,初始压力变化引起的气爆冲击应力变化比初始温度变化明显,增大超临界态CO2的初始压力提高气爆冲击应力优于提高超临界态CO2的初始温度。最后得到了冲击应力峰值Pmax与初始温度T和初始压力P的关系Pmax=ɑT+bP+C。     

超临界CO2气爆致裂爆生气体压力沿破裂面变化规律实验研究

为了揭示超临界CO2气爆致裂煤岩体过程中爆生气体压力沿破裂面的变化规律和不同超临界压力对爆生气体压力分布的影响,利用自主研发的超临界CO2气爆实验系统进行爆生气体压力分布测试实验。采用气爆孔周预制弱层的方法,解决了气爆实验传感器难以捕捉裂纹位置的问题。得到了破裂面爆生气体压力与到气爆孔距离和时间的关系式。实验结果表明:气爆过程中破裂面任一点处的爆生气体压力随时间衰减曲线,与气爆孔底爆生气体压力衰减曲线的变化特征相似,服从负指数曲线变化规律,随时间增加,衰减曲线斜率逐渐减小;破裂面任一时刻爆生气体压力,满足近气爆孔处气体压力大于远孔位置的气体压力的规律;随着超临界压力增大,各监测点爆生气体压力峰值增大,相邻监测点压力峰值差增大,监测点达到压力峰值对应时间减小,相邻监测点达到压力峰值的时间间隔变短。     

页岩油藏注CO2增能开发数值模拟研究

页岩油开发对胜利油田产能接替具有重要意义。页岩油藏渗透率低,难以注水补充能量,CO₂易注入地层且能够改善原油流动条件,是页岩油增能开发的有效方法。但是页岩油藏包含微纳米级孔隙-微米级微裂缝-米级大裂缝多个尺度孔隙空间,且开发过程涉及组分相态变化,是一个多尺度多相多组分渗流的复杂过程。本文构建嵌入式离散裂缝模型表征裂缝系统,建立不同尺度孔隙间传导率将基岩系统与裂缝系统联系在一起,实现页岩油藏注CO₂开发高效模拟。采用本模型研究了开发参数及裂缝参数等对开发效果的影响,结果表明,CO₂吞吐能够有效补充地层能量,提高页岩油开发效果。页岩油注CO₂吞吐时机不宜过早或者过晚,应充分利用地层能量,同时考虑及时注气补充能量。而且人工裂缝对开发效果影响明显,需要结合经济因素优化压裂参数。     

包覆型纳米CeO2@SiO2复合磨料的制备?表征及其抛光性能

以无水乙醇为溶剂,氨水为催化剂,利用正硅酸乙酯(TEOS)水解,并在500℃下煅烧1h,制备了SiO2粉体.将SiO2粉体作为内核浸渍到以硝酸亚铈、乙酰丙酮和正丙醇为原料制备的铈溶胶中,得到包覆型CeO2@SiO2复合粉体.利用XRD、SEM、TEM和FT-IR等测试手段,对所制备样品的物相结构、形貌、粒径大小、团聚情况进行表征.将所制备的包覆型CeO2@SiO2复合粉体配制成抛光浆料用于砷化镓晶片的化学机械抛光,用原子力显微镜(AFM)观察抛光表面的微观形貌,测量表面粗糙度.结果表明,采用浸渍工艺成功制备出单分散球形,粒径在400～450nm,负载均匀的包覆型CeO2@SiO2复合粉体.复合粉体中CeO2的包覆量随着铈溶胶中铈离子浓度的升高而增大.经包覆型CeO2@SiO2复合磨料抛光后的砷化镓晶片表面的微观起伏更趋于平缓,在1μm×1μm范围内表面粗糙度Ra值为0.819nm,获得了具有亚纳米量级粗糙度的抛光表面.     

CO2微气泡溶解动力学及提高采收率机理研究

CO₂微气泡是一种具有潜力的提高采收率与碳埋存方法, 本文在自主设计的CO₂微气泡发泡装置的基础上, 表征了高温高压条件下微气泡形态, 进一步研究了微气泡的溶解特征, 研究结果表明: 10 MPa下制备出的微气泡直径10 ~ 70 μm, 平均直径34.43 μm; 15 MPa下制备的微气泡直径更小, 平均直径25.03 μm; 地层水高矿化度条件下, 平均气泡直径277.17 μm, 且气泡稳定性降低. 微气泡的溶解实验结果表明CO₂微气泡的溶解速率较高, 但是未溶解的CO₂仍以气泡的形式在地层中运移, 微气泡注入地层后将形成“碳化水 + 微气泡”的运移模式. 采用可视化微流控平台, 首次研究了高温高压条件下无化学剂辅助CO₂微气泡的提高采收率机理: ①提高微观洗油效率; ②通过体积膨胀、溶解携带作用将油滴带出盲端, 采出盲端中的剩余油; ③打破油滴的毛管压力平衡状态, 采出柱状残余油; ④在流动中产生“贾敏效应”, 封堵大孔隙、提高波及效率. 本文研究可为CO₂微气泡提高油藏采收率与碳封存提供指导.     

基于机器学习的海底地质封存CO2快速泄漏评估

鉴于我国东部沿海地区碳排放量高且陆上封存容量有限的现状,CO₂海底地质封存具有显著的应用潜力．尽管海底地质封存过程中CO₂泄漏的风险极低,但准确评估快速泄漏情景下的海水中CO₂扩散规律对于确保封存安全至关重要．本研究基于典型海洋环境数据,采用Volume of Fluid （VOF）模型模拟CO₂气泡动态特性,并用欧拉模型模拟CO₂集群在海水中的扩散特征,从而完成流体动力学的综合仿真分析．在此基础上,开发基于机器学习的海底CO₂泄漏量评估方法．构建神经网络模型框架,并据此建立反问题求解模型,解析不同海洋环境条件下CO₂泄漏时的形态演变与分布范围,反演出导致此泄漏情景的裂缝宽度及泄漏速度等关键参数,进而精确计算出泄漏量．该模型预测精度可达95%以上,证明其在处理CO₂泄漏反问题上的有效性和适用性．本研究不仅为海底地质封存CO₂快速泄漏评估提供了一种创新性的方法路径,也为未来相关领域的风险评估与安全管理提供了重要的科学依据和技术支撑．     

离轴受限圆射流的三维湍流流场分析

利用原始变量,交叉网格的方法,以及采用κ-ε湍流模型,计算了离轴受限射流三维湍流流场,计算结果与用LDV测量结果作了比较,结果是满意的。计算结果提供了这样一个复杂的三维流场的清晰图象,为研究具有离轴射流的预燃室的稳燃机理提供了很多有用的信息,对计算结果作了详细的分析和讨论后,指出这样一个流场的重要三维特征是在θ方向梳线有大角度的扭曲。     

在工程流体力学教学中引入CFD工程案例的探讨

在长期的工程流体力学教学过程中,发现学生对这门课普遍存在畏难情绪,对复杂的理论知识掌握困难.考虑到工程流体力学的研究方法分为理论分析方法,实验方法和数值方法,而其中数值方法在传统教学中应用的较少,所以试图通过适当增加数值方法的应用来改善教学效果.随着本科生对计算机应用能力的增强以及知识面的逐渐扩展,本文提出增加结合专业背景,理论知识及软件应用的综合案例以满足当前课程及学生发展的需求.     

计算力学学科发展刍议

简要回顾我国计算力学学科的发展,着重从模型的建立、算法研究和计算力学软件开发应用三个方面论述了计算力学的研究方向。     

Computational fluid dynamics analysis of diffuser performance in gas-powered jet pumps

Jet pump diffuser performance is analyzed, both in terms of past experimental work dealing with the high inlet flow distortions involved and in the sense that this problem is amenable to predictive investigation by computational fluid dynamics techniques. In these highly nonuniform flow conditions, diffusers are seen to justify their inclusion in a jet pump design, for regaining static pressure downstream of the vacuum chamber, even though their performance in effectiveness terms is lowered by about two thirds at high inlet glow distortion levels. A satisfactory correlation has been found between outlet and inlet conditions and diffuser area ratio, extending well beyond past experimental published results for diffuser geometry and distorted inlet flows.     

流固耦合力学概述

本文简要介绍了流固耦合力学及其特点、研究分支、一些进展及进一步发展的趋势     

旋涡、湍流与自由表面的相互作用

旋涡及自由表面湍流与自由表面的非定常、非线性相互作用是当前流体力学中一个十分活跃的前沿领域的研究课题,它具有深刻的理论意义和重要的实用背景．旋涡、湍流与自由表面的相互作用是一个非常复杂的非线性、非定常过程,涉及到涡－涡、波－涡相互作用,旋涡在自由表面处的断裂、重联、合并及自由表面湍流中的准拟序结构的形成、发展等复杂动力学过程．关于这一领域的研究已经取得了一些重要成果．对旋涡与自由表面的相互作用的基本过程有了较为清楚的认识;但对湍流与自由表面的相互作用中的许多基本物理过程还知之甚少．本文综述此领域的实验、理论和数值模拟研究的最新进展和主要结果,讨论若干有待解决的问题,并指出进一步的研究方向     

Solutions of magnetohydrodynamic problems based on a conventional computational fluid dynamics code

It is pointed out that there exists a hidden analogy between magnetohydrodynamic (MHD) and conventional computational fluid dynamic (CFD) equations. This allows the generalization of any conventional CFD code so that the effects of MHD can be accounted for. This generalization is actually made for the FLUENT CFD code. Although this generalized FLUENT code can easily be adjusted to any MHD environment, it has been specifically designed for metallurgical applications. Predictions of the code are validated against the analytical solutions for the Poiseuille-Hartmann flow and for the shielding of magnetic field oscillations by a conducting medium (skin effect).     

Three-Dimensional Calculations of the Flow Field around a Turbine Blade with Film Cooling Injection near the Leading Edge

Injection of coolant air from a showerhead injection system at the leading edge of a high pressure turbine blade is investigated using a fully implicit three-dimensional finite-volume method on multi-block grids. For various blowing rates, the calculation results for the velocity and pressure fields and turbulence intensity are compared with available experimental data. The present method yields excellent agreement with the experiments for the isentropic Mach number distributions on the blade surface. The standardk–ε turbulence model with wall functions is already capable of capturing the major details of the flow field including the injection-induced secondary-flow vortices, particularly so on the suction side. On the pressure side, however, the lateral jet spreading is under-predicted somewhat together with an exaggeration of the near-wall sink-flow vortices. On this side with convex walls, where turbulence anisotropy is appreciable according to the experiments, overall better predictions were obtained with the anisotropy correction of Bergeles et al. [23] promoting the Reynolds stress in the lateral direction. The correction has no beneficial effect on the suction side with concave walls where the turbulence anisotropy was observed to be much smaller. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

计算流体力学中的验证与确认

计算流体力学(CFD)在航空航天等诸多领域的应用越来越广泛.特别是近年来, CFD在实际飞行器的设计中扮演着越来越重要的角色, 许多设计参数直接来源于CFD的计算结果.由此, 飞行器设计师对CFD提供结果的可信度提出了更高的要求.验证(verification)与确认(validation)是评价数值解精度和可信度的主要手段.本文综述了国内外开展CFD验证与确认研究的进展.在引言中论述了开展CFD验证与确认的重要性和必要性, 简述了国内外CFD验证与确认研究的历史和发展现状.第2节中讨论了CFD验证与确认的一些基本概念,以及这些概念定义的形成过程, 并指出了进行CFD验证与确认的基本步骤.第3节和第4节分别讨论了CFD验证与确认的方法, 如CFD验证中的精确解比较方法, 制造解比较方法, 网格收敛性研究;CFD确认中的层次结构, 流动分类法, 确认实验指南.在第5节中我们列举了几个CFD验证与确认的应用实例.最后, 对我国开展CFD验证与确认研究工作提出了若干建议, 包括:(1)开展流动分类法研究,(2)推行软件质量工程方法,(3)开展规范精细的实验, 建立国内的网络数据库.