考虑热流固耦合作用的多孔介质孔隙尺度两相流动模拟

为了研究深层油气资源在岩石多孔介质内的运移过程, 使用一种基于Darcy-Brinkman-Biot的流固耦合数值方法, 结合传热模型, 完成了Duhamel-Neumann热弹性应力的计算, 实现了在孔隙模拟多孔介质内的考虑热流固耦合作用的两相流动过程. 模型通过求解Navier-Stokes方程完成对孔隙空间内多相流体的计算, 通过求解Darcy方程完成流体在岩石固体颗粒内的计算, 二者通过以动能方式耦合的形式, 计算出岩石固体颗粒质点的位移, 从而实现了流固耦合计算. 在此基础上, 加入传热模型考虑温度场对两相渗流过程的影响. 温度场通过以产生热弹性应力的形式作用于岩石固体颗粒, 总体上实现热流固耦合过程. 基于数值模型, 模拟油水两相流体在二维多孔介质模型内受热流固耦合作用的流动过程. 研究结果表明: 热应力与流固耦合作用产生的应力方向相反, 使得总应力比单独考虑流固耦合作用下的应力小; 温度的增加使得模型孔隙度增加, 但当注入温差达到150 K后, 孔隙度不再有明显增加; 温度的增加使得水相的相对渗流能力增加, 等渗点左移.      

基于SPH方法粒子射流破岩数值模拟与实验研究

钻井液中加入体积分数为1%~3%的钢质粒子在钻头喷嘴处高速喷出冲击岩石,实现了粒子射流冲击和钻头机械联合破岩,有效提高了破岩效率。利用瞬态非线性动力学有限元模拟软件,基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,SPH)方法,考虑流体对粒子射流冲击的影响,建立了粒子射流冲击破岩的物理模型,获得了粒子射流参数对破岩体积的影响规律,进行了室内实验验证,验证了SPH方法的有效性。结果表明:粒子射流冲击岩石表面形成规则的V型冲击坑;同条件下粒子射流破岩体积是水射流破岩体积的2~4倍;随着粒子射流冲蚀时间的增加,粒子射流破岩体积不断增加,但破岩效率降低;粒子射流压力大于10 MPa后,粒子射流破岩效率迅速增大;喷射角度大于6°后,破岩效率迅速减小。     

近壁声空泡溃灭微射流冲击流固耦合模型及蚀坑反演分析

超声场下液体环境中近壁空泡溃灭会产生强烈的微射流,为探究微射流冲击壁面流固耦合效应,利用流体力学及冲击动力学,考虑了率相关的J-C材料本构模型,建立并分析了微射流冲击壁面流固耦合三维模型,并通过超声空化试验和基于球形压痕试验理论的反演分析进行了验证。结果表明:微射流冲击下材料表面出现微型凹坑,凹坑深度由微射流速度和微射流直径共同决定且随其增大而增大,凹坑直径主要与微射流直径正相关,而凹坑径深比则主要与微射流速度负相关;壁面压强基本呈对称分布且最大压强出现在微射流冲击边缘;超声空化试验验证了微射流冲击下材料表面出现的微型凹坑,反演分析方法表明,在16~18的径深比下,微射流冲击强度为420~500MPa,对应的微射流速度为310~370m/s。试验及反演分析结果与理论分析结果相符,验证了流固耦合模型及反演分析方法的合理性及准确性,为后续工程应用中空化强度、微射流速度等的控制提供了理论参考。     

裂缝性油藏流固耦合渗流

本文给出了考虑介质变形的双重孔隙介质流固耦合渗流模型,并考虑渗流参数随有效应力而变化的非线性双重孔隙介质流固耦合渗流,在此基础上,本文还推导了双重孔隙介质非线性系数非线性等流固耦合流流计算,并给出了算例。     

二维弹性结构入水冲击过程中的流固耦合效应

描述了一个研究弹性结构入水冲击过程中水弹性效应的数值方法,在弹性结构入水冲击过程中,流体域作用在结构上的水动力载荷由边界元法获得,而结构的弹性动力响应则由有限元方法求解,通过线性给离散Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ方程将有限元方程和边界元方程耦合到一起,从而获得了求解流场和结构动力响应的相互耦合的运动方程。在数值考虑了自由表面的非线性边界条件,通过引入射流单元以及最大射流厚度,较好地处理了冲击引起的射流问题。     

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。     

液饱和多孔介质中三维应力波的传播

为了深入研究液饱和多孔介质中应力波的传播，提出了三维两相细观计算模型．基于此模型。应用Galerkin余量法并计及流-固耦合界面的耦合效应，利用直接耦合的技术，开发了三维流-固混合显式动力有限元计算程序．在此基础上对冲击载荷作用下液饱和多孔介质中三维应力波的传播现象进行了数值模拟，并详细讨论了孔隙率，孔隙形状等因素对应力波传播主导波形的影响．     

水力压裂中裂纹扩展的数值模拟

水力压裂是在高压粘滞流体或清水作用下地层内裂缝起裂与扩展的过程。由于包含岩石断裂和流-固耦合等复杂问题,对该过程的数值模拟具有相当大的挑战性。本文建立基于有限元与离散元混合方法的裂纹模型,模拟岩石裂纹扩展,实现了连续向非连续的转化;建立双重介质流动模型,裂隙流作为孔隙渗流的压力边界,孔隙渗流反作用裂隙的压力求解,处理了流体在基岩与人工裂缝中的协调流动;将裂纹模型与流体流动模式进行结合,建立断裂-应力-渗流耦合形式的力学模型,进一步分析了水力压裂的基本过程,综合多种数值计算方法,编写程序,在验证岩体裂纹模型与双重介质流动模型有效性的基础上,对压裂过程进行复现,将模拟结果与文献结果进行了对比,并讨论了所构建模型的优缺点。     

水饱和岩石中爆炸应力波传播的数值模拟

基于连续介质力学和不相融混合物理论,假定组分间无相对运动,采用B-W-N-B有效应力准则,在屈服面中引入孔隙影响因子,提出了一种多孔含水介质流固耦合的本构模型,并给出了孔隙的演化方程,对水饱和凝灰岩介质中的爆炸应力波传播作了数值模拟。数值计算给出的应力波形与实测结果有良好的一致性。采用本文中所述流固耦合本构模型,可很好地预测水饱和岩石中爆炸波的演化规律。     

零重力条件下低温射流抑制大尺寸液氢储罐热分层的数值研究

液氢是一种常用的沸点低、易蒸发的空间低温推进剂. 空间微重力环境中浮力对流被极大减弱,当推进剂储罐壁面存在局部漏热时,储罐内部气液两相流体系会出现环绕漏热源的热分层现象,引起局部过热沸腾,导致储罐内部压力急剧增大,危害系统结构安全. 利用低温射流抑制储罐热分层现象是一种有效手段. 低温流体通过设置在储罐内部的射流喷嘴与储罐内部的流体混合,消减局部高温,实现温度的均匀化. 采用全充满的二维大尺寸储罐模型,对零重力条件下液氢储罐内局部漏热引起的热分层现象开展了数值模拟,主要分析了位于靠近储罐底部的漏热带以及出口衔接段漏热带漏热形成的局部热分层现象的抑制和消除,并研究了不同低温射流条件对于消除零重力条件下液氢储罐内部热分层效果的影响. 研究结果表明对于大尺寸储罐,当采用圆形射流喷嘴且低温射流条件相同时,射流喷嘴的位置对罐体内部热分层消除效果影响不是很明显. 当射流喷嘴位于储罐内部同一相对位置且入射流量相同时,圆形射流喷嘴因出流方向更集中,罐内流场演变更快,消除热分层比半球形射流喷嘴更有效.      

超高压水射流喷头水动力特性研究

基于对超高压水射流喷头的外部参数定量化分析,给出关于射流核心参数的优选方法,旨在提高水射流效率。首先,根据超高压水射流除锈喷嘴的工作特点,考虑到水的压缩性和空化效应,建立单束定冲角、多束旋转喷头的三维数值模型,通过改变靶距、入射角度、转速等外部特征参数,实施了超高压水射流除锈喷头水动力性能模拟研究。然后,重点分析单束定冲角喷嘴靶距、入射角度对靶面剪切应力、打击压强分布的影响,以及射流等速核长度与最佳射流靶距的关系。发现当靶距等于喷嘴射流等速核长度时,壁面剪切应力达到最佳水平。此外,通过分析高速旋转射流卷吸效应、靶面水垫作用对靶面所受剪切应力、打击压强分布的影响,得到最佳转速范围和对应线速度。初步阐明了射流冲击剥离的机理、单束定冲角以及多束旋转射流的特征参数对射流效果的影响,可为超高压除锈喷头的设计、装配提供参考。     

NUMERICAL SIMULATION STUDY ON ROCK BREAKING MECHANISM AND PROCESS UNDER HIGH PRESSURE WATER JET

The numerical simulation method to study rock breaking process and mechanism under high pressure water jet was developed with the continuous mechanics and the FEM theory. The rock damage model and the damage-coupling model suited to analyze the whole process of water jet breaking rock were established with continuum damage mechanics and micro damage mechanics. The numerical results show the dynamic response of rock under water jet and the evolvement of hydrodynamic characteristic of jet during rock breaking is close to reality, and indicates that the body of rock damage and breakage under the general continual jet occurs within several milliseconds, the main damage form is tensile damage caused by rock unload and jet impact, and the evolvement of rock damage shows a step-change trend. On the whole, the numerical results can agree with experimental conclusions, which manifest that the analytical method is feasible and can be applied to guide the research and application of jet breaking rock theory.     

壁面处气泡在静止流场和高速水流中溃灭过程的计算仿真

通过数值仿真计算,模拟近壁面以及附壁面气泡在静止流场和高速水流中的溃灭过程,研究气蚀作用机理.结果表明:气泡与壁面的距离和水流的速度影响其溃灭时间;附壁面气泡在高速水流中完全溃灭的时间最短,而在静止流场中最长,远离壁面将增加气泡的不稳定性;当气泡距离壁面一定距离溃灭时,射流不能直接作用于壁面,壁面承受冲击波的最大压力远小于气泡溃灭中心的压力;当气泡溃灭中心在壁面时,射流直接作用于壁面产生微小而严重的点破坏,而冲击波则使材料产生交变应力,造成环形破坏;当气泡在高速水流中溃灭时将产生逆流斜向射流,这可能是水力机械过流部件产生鱼鳞坑和波纹状破坏的主要原因.     

生产井井间距离对增强型地热系统影响分析

为揭示生产井井间距离对增强型地热系统(EGS)的影响，以中国青海共和盆地增强型地热系统为研究对象，采用数值模拟方法，建立了考虑生产井井间距离不同的三维热-固-流耦合热采模型。分析得到生产井井间距离为600 m, 700 m, 800 m, 900 m, 1000 m对EGS温度场、产出流体温度、储层寿命、总产热量、最大主应力以及最大主应变影响规律。研究结果表明，随着热开采进行，储层裂隙周围岩体温度下降，产出温度随开采年限增加而降低；从产出温度、储层寿命和总产热量三方面考虑，最优生产井井间距离为800 m;生产井井间距离对第一主应力及第一主应变影响显著，应结合实际情况选择最优生产井井间距离。     

90°锥头弹丸不同速度下垂直入水冲击引起的空泡特性

用高速摄像拍摄了90°锥头弹丸低速入水的空泡形态演变过程,全面讨论了不同入水冲击速度下空泡的闭合方式及其演变过程,分析了空泡闭合时间、闭合点水深和弹头空泡长度随入水速度的变化规律以及不同水深位置空泡直径的变化规律;研究了水幕闭合和近液面空泡收缩上升所形成的射流现象及其相互耦合作用过程,探讨了空泡深闭合后其壁面波动规律。结果表明:随着入水速度的增加,空泡分别发生准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合,每种闭合方式对应的一个速度区间;弹头产生空泡的临界入水速度为0.657 m/s;不同水深位置的空泡直径呈现非线性变化;随着水深的增加空泡扩张初速增大,空泡最大直径减小,扩张段缩短,收缩段延长;同一时刻水深越大空泡扩张收缩的加速度也越高;水幕闭合后会产生向上和向下两股射流,向下射流速度较大时会对弹丸运动产生影响;近液面空泡收缩上升时会产生强度正比于空泡体积大小和闭合点水深的射流,并与上两股射流相互耦合形成一股更强的向上射流;空泡深闭合后长度缩短和产生的向下射流使弹丸受力发生改变,弹丸速度因受力产生的变化带动了流体质点速度的波动,进而导致空泡壁面发生波动,壁面波动遵循空泡截面独立扩张原理。     

围压下自振空化射流冲蚀性能实验研究

自振空化射流是利用瞬态流和水声学原理调制而成的一种新型射流,为研究围压下自激振荡空化射流的冲蚀破碎规律,利用高压釜装置测量了1.0mm出口直径的风琴管自振空化喷嘴在各种射流参数情况下冲蚀铝试样的冲蚀质量,并与同等条件下锥形喷嘴冲蚀效率进行了对比。测量结果表明,冲蚀质量基本与射流压力成正比;存在最优喷距和围压,使得冲蚀效果最佳,在本实验条件,分别为喷嘴出口直径的5～7倍和2MPa左右;相同条件下,自振空化喷嘴冲蚀质量约为同等条件下锥形喷嘴冲蚀的1～2倍,这为自振空化射流提高钻井速度等实际应用提供了实验依据。     

超临界CO2磨料射流流场影响因素的模拟分析

为了揭示超临界CO₂磨料射流流场特性,利用计算流体动力学模拟软件,对超临界CO₂磨料射流结构及不同因素对射流流场的影响规律进行了研究。结果表明:超临界CO₂磨料射流轴向速度和冲击力随着喷距的增大,先增大后减小,即存在最优喷距,喷射压差为10~30 MPa时最优喷距为3~6倍喷嘴直径;喷射压差一定时,围压由10 MPa增至30 MPa对射流速度场及液相冲击力会造成较小的负面影响。通过超临界CO₂射流破岩实验对上述2因素进行了辅助对比验证;流体温度由333 K增至413 K,固液两相轴向速度增大,而流体密度降低,导致液相冲击力减弱;磨料浓度由3.0%连续增至11.0%,射流固液两相轴向速度逐渐降低,降幅逐渐减小。     

脆性岩石破裂过程损伤与渗流耦合数值模型研究

大量的实验结果表明，脆性岩石的渗透性不是一个常量，而是应力和应力诱发损伤破裂的函数．建立了一个描述非均匀岩石渗流-应力-损伤耦合数学模型(FSD Model)，开发出岩石破裂过程渗流-应力-损伤耦合分析计算系统(F-RFPA^2D)．在该系统中，单元的力学、水力学性质根据统计分布而变化，以体现材料的随机不均质性，材料在开裂破坏过程中流体压力传递通过单元渗流-损伤耦合迭代来实现．该系统能够对岩石试件在孔隙水压力和双轴荷载作用下裂纹的萌生、扩展过程中渗透率演化规律及其渗流-应力耦合机制进行模拟分析．最后，给出两个算例：算例1模拟载荷作用下岩石应力应变-渗透率全过程．模拟结果表明，非均匀性对岩石的应力峰值强度、峰值前后其渗透性演化规律及其破裂机制影响十分明显，模拟结果和实验结果较为一致；算例2模拟孔隙水压力作用下岩石拉伸断裂过程，通过和物理实验对比验证，验证了模型计算结果的可靠性。     

Comparison-speed liquid jets

The performance of a small high-speed liquid jet apparatus is described. Water jets with velocities from 200 to 700 m/s were obtained by firing a deformable lead slug from an air rifle into a stainless steel nozzle containing water sealed with a rubber diaphragm. Nozzle devices using the impact extrusion (IE) and cumulation (CU) methods were designed to generate the jets. The effect of the nozzle diameter and the downstream distance on the jet velocity is examined. The injection sequences are visualized using both shadowgraphy and schlieren photography. The difference between the IE and CU methods of jet generation is found.