倾斜管道内圆柱状颗粒运动的数值模拟

本文采用计算流体力学–离散单元法对倾斜管道内圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟,分别分析了颗粒密度、颗粒长径比、吸入速度、管道倾角、管道长径比等因素对颗粒输运效率的影响。结果表明,颗粒密度越大,颗粒的输运效率越低;输运效率随着颗粒长径比的增大而减小;输运效率随着进口速度的增大而增大。管道的倾角对输运效率存在影响,但二者不是单调关系;颗粒输运效率与管道长径比成反比。

     

深海采矿中试系统水力提升管道水击压力分析

深海采矿系统可能由于突然停泵、断电或机械故障等引起提升管道中流体速度瞬间变化, 导致管道内压力剧烈变化, 这种水击现象对管道破坏极大. 基于固液两相流体连续性原理和动量定理, 推导出含粗颗粒的固液两相流体管道水击压力的计算公式. 采用深海采矿中试系统参数, 模拟计算不同水体流速、不同流体浓度以及不同管径条件下的水击压力. 分析结果表明, 流速、体积浓度和管径是影响水击压力的重要因素, 其中, 流速影响最大. 研究结果可为深海采矿系统工程设计提供依据.     

固液两相流体中的空泡溃灭计算

本文导出了固液两相流体中球空泡溃灭的运动方程,计算并讨论了空泡溃灭过程中的颗粒运动和颗粒对空泡溃灭的影响,得到了固相浓度、颗粒尺寸等因素与空泡溃灭之间的定性关系。在分析过程中,考虑了液体与固体颗粒之间的阻力耦合作用。     

亚微米颗粒在汇作用下运动机理的实验研究

当前,城市空气质量的不断恶化,引起了公众的普遍性关注.空气中的悬浮颗粒物,是城市大气环境重要污染源之一,其分布、运动及扩散规律已成为科学领域的研究热点.与连续流体不同,大气中的悬浮颗粒物是离散的,确定颗粒运动的模型是研究大气细微颗粒污染问题的关键.本文拟研究小空间静稳空气中亚微米级颗粒在汇作用下的运动规律,并构建其运动模型.在密闭实验空间中通过燃烧生成亚微米颗粒,利用静电吸附装置模拟颗粒汇,并通过粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)实验和激光多普勒测速仪(lasser Doppler velocimeter,LDV)实验技术测量分析不同空间内亚微米颗粒在大气中的热运动速度和在汇作用下的运动规律,并推导出颗粒物的速度分布经验公式.结果显示:粒子在汇作用下的运动与连续流体汇运动规律类似,但在小空间内颗粒的运动不满足流体连续方程;说明在无气流夹带输运情况下,利用汇作用及颗粒的扩散而发展的颗粒净化技术是可行的.     

固-液两相流黑水管道冲蚀磨损的数值模拟研究

煤气化黑水处理系统管道由于其流体介质高含固体颗粒和腐蚀性介质,且工作在高温、高压差环境中,极易受到冲蚀磨损和腐蚀的耦合作用而失效,影响其服役寿命.采用计算流体力学(CFD)方法数值模拟研究了煤气化黑水处理系统固-液两相流管道的冲蚀磨损行为和机理,以及流体介质速度和固体颗粒粒径对管道冲蚀磨损的影响规律,并分析了盲通管和涡室结构对弯管冲蚀磨损行为的优化改善效果.研究结果显示,煤气化黑水处理系统管线的冲蚀高危区主要分布在弯管外拱和变径管等结构突变区域;管道冲蚀磨损行为与其内部流体的运动和颗粒冲击特性有关;管道的冲蚀率均随着流体速度的增加而加剧,而粒径对弯管和变径管冲蚀率的影响并非单调关系,这与颗粒受力作用有关;弯管优化分析显示,涡室结构可以降低弯管的最大冲蚀率,减缓弯管的冲蚀磨损.     

考虑颗粒间碰撞的气固两相流拉格朗日模拟

在均匀,稳定的各向同性气固两相紊流场颗粒弥散的拉格朗日模拟计算方法基础上,进一步考虑了流场中颗粒之间的碰撞对于模拟计算结果的影响。与Lavieville用大涡模拟所做的计算结果进行了对比,以对本方法进行验证,并考察了颗粒间的碰撞分别对流体相和颗粒相的影响。     

稠密气固两相流各向异性颗粒相矩方法

基于气体分子动力学和颗粒动理学方法,考虑颗粒速度脉动各向异性,建立颗粒相二阶矩模型.应用初等输运理论,对三阶关联项进行模化和封闭.考虑颗粒与壁面之间的能量传递和交换,建立颗粒相边界条件模型.采用Koch等计算方法模拟气固脉动速度关联矩.考虑气体-颗粒间相互作用,建立稠密气体-颗粒流动模型.数值模拟提升管内气固两相流动特性,模拟结果表明提升管内颗粒相湍流脉动具有明显的各向异性.预测颗粒速度、浓度和颗粒脉动速度二阶矩与Tartan等实测结果相吻合.模拟结果表明轴向颗粒速度脉动强度约为平均颗粒相脉动强度的1.5倍,轴向颗粒脉动能大约是径向颗粒脉动能3.0倍.     

微型管中液滴流动的三维数值模拟

对于微型设备中的低雷诺数流动,毛细力和黏性力起主导作用. 应用相场方法,引入自由能泛函,研究了二相流体在微型管中流动问题及表面浸润现象,并给出了微型管中二相流体的无量纲输运方程. 针对方形微管道,利用差分法给出了输运方程的数值求解方法.最后,模拟了方形直管中的液滴流动和变形的过程,并给出了液滴前后压力差与其它主要物理参数之间的变化关系. 结果表明,压力差随液滴半径增大而增加,而随毛细管系数的增大而减小.     

气固两相混合层二维涡配对的数值研究

采用双向耦合模型中的速度耦合模型,数值模拟了气固两相混合层中涡的配对、合并过程,文中采用拟谱方法对流场进行了直接数值模拟,用Lagrange模型跟踪固粒,结果发现,在双向耦合过程中Stokes数仍然是重要的参数,但不是唯一影响流场的参数,流场的发展还与固粒的体积浓度、固粒的相对密度以及固粒大小等因素有关。固粒抑制流场的发展,阻碍涡的配对、合并,加快了涡量的扩散;小St数的固粒仍然跟随流体运动,大St数的固粒趋向于低涡量区的趋势减弱。     

管道壁面修饰减阻机理的数值模拟

用加入近邻相互作用势的格子玻尔兹曼方法模拟了表面修饰了去润湿性颗粒的二维管道内流体的流动. 结果显示,管壁的粗糙度、修饰颗粒的润湿性、管内压强以及管内流体黏滞性等都是影响管内流体流速的因素. 在一定压强下,管壁修饰疏水性的颗粒可以明显减小阻力,模拟结果也解释了开采地下油藏时存在启动压力梯度的原因.     

Experimental and CFD investigation of flow behavior and sand erosion pattern in a horizontal pipe bend under annular flow

The internal erosion of pipelines in oil and gas storage and transportation engineering is highly risky. High gas velocity of annular flow entrained sand will cause damage to the pipelines, and may further result in thinning of the wall. If this damage lasts for a long time, it may cause pipeline leakage and cause huge economic losses and environmental problems. In this research, an experimental device for studying multiphase flow erosion is designed, including an erosion loop and an experimental elbow that can test the erosion rate. The annular flow state and pipe wall erosion morphology can also be tested by the device. The computational fluid dynamics (CFD) method is combined with the experiment to further study the annular flow erosion mechanism in the pipeline. The relationship between gas-liquid-solid distribution and erosion profile was studied. The results show that the most eroded region occurs between 22.5° and 45° in the axial angle direction and between 90° and 135° in the circumferential angle direction of the elbow. The pits and deep scratches form on the surface of the sample after the sand collision.     

铁素体/珠光体组织对管线钢中氢扩散行为的影响

长距离管道输送是氢气输送的重要发展方向之一。氢在管线钢的扩散和局部聚集导致材料力学性能下降,在外界作用下引发脆性失效。因此,氢在管线钢材中的扩散和富集是评价管线钢相容性与判断管道升级可行性的重要参考依据。以三种不同等级的管线钢（X52,X65,X70）共22种材料为研究对象,结合图像处理技术与基于材料内铁素体/珠光体组织结构的连续介质数值计算,推算长期服役后结构内部氢的扩散和富集。考虑到铁素体和珠光体组织中的氢扩散速率与晶界的扩散阻碍作用,通过对比量化不同铁素体/珠光体的结构分布和组织取向下氢质量浓度和扩散通量的差异,分析铁素体/珠光体组织对管线钢中氢的扩散和富集作用,为长距离输氢管道材料选用提供技术参考。

     

基于三阶剪切变形理论的悬臂输流管道自由振动

采用三阶剪切变形理论,结合有限元法研究了悬臂输流管道的自由振动问题．利用虚功原理建立了输流管系统的有限元方程,同时将悬臂端弹性支承以势能的形式引入到系统方程中,求解了系统前三阶的复频率．分别探讨了流体速度和弹簧刚度对系统复频率实部和虚部的影响,重点分析了弹簧刚度与前三阶固有频率间的关系．在弹性支承刚度为零的特例下,对比了本文结果与Timoshenko梁理论的结果,证明了本文方法的可靠性．研究发现系统固有频率的实部恒为负值,表明一端带有弹性支承的约束形式有利于提高悬臂输流管道自由振动的稳定性;流体的流动对管道振动起到了阻尼作用,在流动速度足够大的情况下,各阶振动固有频率均趋于零;当弹簧刚度为无穷大,且流体速度足够大时,输流管道将发生失稳．     

Effect of flow and physical parameters on the wax deposition of Middle East crude oil under subsea condition: heat transfer viewpoint

Change in pressure, temperature, flow rate and concentration of oil causes precipitation and deposition of wax particles in the pipelines which has become a major problem for oil industries. By decreasing the capacity and economic efficiency of land oil reserves, demand for offshore reserves increases. Change in temperature in subsea pipelines is more possible and so the wax deposition happens under this condition more. Low water temperature and subsea condition change overall heat transfer coefficient and heat transfer rate in pipe cross-section which affects the wax transportation from bulk fluid to the wall. In this study, the effects of temperature, flow rate and oil characteristic in different pipeline diameters on Middle East oil which covers the most oil reserves of the world have been investigated under Persian Gulf water condition. Higher inlet temperature postpone the wax deposition to far locations and higher flow rate causes lower wax thickness in first stages of pipe and higher wax thickness after passing the first stage.     

纯氢管道输氢技术发展现状与分析

利用管道输送氢气,能够实现氢气低成本、大规模、长距离输送,但纯氢管道的发展面临技术与经济方面的挑战。本文给出了管道输氢评价指标,总结了国内外纯氢管道的发展现状,探讨了管道输氢面临的技术挑战与经济性影响因素。纯氢管道大规模发展具备技术可行性,建设与运行成本也将大幅下降。随着氢能产业的快速发展,管道输氢将成为最高效、最经济的氢气输送方式。建议结合我国实际情况,统筹规划纯氢管网布局,制定管道输氢标准规范,建立安全监管与应急决策平台,搭建运营管理体系,逐步推动管道输氢产业化发展。

     

浅水区海底管道周围海床渗透压力计算研究

我国海上油田开采起步较晚,大部分油田处于浅水区,因此,在设计管道时,应充分考虑由浅水区波浪引起的管道周围海床渗流力。根据浅水波相关假设,考虑自由水面非线性影响,推导出椭圆余弦波的波面方程,在此基础上进一步得到一个关于速度势的表达式,并根据该表达式得出作用于海床表面的波压公式。考虑海床土的压缩性,推导出一阶近似椭圆余弦波作用下浅水区埋置管道周围海床的渗流压力解析解,最后将计算结果与大型水槽试验及以往研究成果作对比。结果表明,在椭圆余弦波的作用下,由一阶椭圆余弦波理论得到的计算结果与试验结果规律基本一致,与相似工况下的现有理论成果数值基本相同,具有一定的可行性和工程价值。     

含凹坑缺陷石油管件塑性极限的分析

在役石油管件安全可靠运行是目前世界各国油气储运业界普遍关注和迫切需要解决的重大课题,而在役石油管件塑性极限强度评价则是为保障在役石油管件安全可靠运行的基础工作。本文对含有椭球形凹坑缺陷石油管件分别在轴向拉力、内压力和轴向拉力与内压力联合作用下的塑性极限强度问题,基于Von.Mises准则和平衡应力场原理,建立管件塑性极限强度理论分析模型,并就具体算例,利用三维弹塑性有限元法,对该模型进行分析比较。结果表明:当凹坑缺陷相对尺寸较小时,此模型可以有效预测含有缺陷管件的塑性极限强度,是一种简便、有效的工程评定方法。     

A finite element method for transient compressible flow in pipelines

A finite element method is developed to solve the partial differential equations describing the unsteady flow of gas in pipelines. Excellent agreement is obtained between simulated results and experimental data from a fullscale gas pipeline. The method is used to describe very transient flow (blowout), and to determine the performance of leak detection systems, and proves to be very stable and reliable.     

A NONLINEAR FLUID–STRUCTURE INTERACTION ANALYSIS OF A NEAR-BED SUBMARINE PIPELINE IN A CURRENT

A negative lift force (attraction) can be induced on a near-bed pipeline in a horizontal current due to asymmetric flow. This negative lift force has a significant influence on the behaviour of the near-bed pipeline, causing two remarkable failure patterns. One failure pattern is due to stability loss, and the pipeline fully rests on the seabed. The other is due to the excessive stress or deformation even if the pipeline is stable in a position between the original equilibrium position and the seabed. A quantitative method to assess these two failure patterns by combining boundary element and finite element methods is proposed in this paper. This is a nonlinear fluid–structure interaction problem, and an iteration procedure is used herein to solve it. Numerical examples reveal that there exists a critical current velocity, above which the pipeline fails. The relationship between the critical velocity and the distance from the pipeline to the seabed is given.