一种考虑虚拟质量力的井筒气液两相压力波色散经验模型

考虑虚拟质量力、管道特性、频率、空隙率等因素,建立气液双流体压力波速模型,结合小扰动理论,提出了一种新的考虑虚拟质量力的两相压力波色散经验模型,与前人气液两相流（12.5%空隙率）中波色散实验测试数据对比是一致的,且经验公式也可达到准确求解压力衰减系数的目的．对控压钻井两相压力波进行计算,结果表明：(1)随系统压力的增大,压力波衰减系数呈现减小趋势,随节流阀动作频率增大、温度增大,压力波衰减系数呈现增大趋势;(2)随空隙率增大,压力衰减呈现先增大后减小趋势,空隙率在8%≤φ≤40%区间,两相压力衰减系数存在最大峰值,当压力为0.2 MPa时,空隙率在19.5%时达到峰值2.78 dB/m;(3)在低频下,波色散主要受相间机械及热力学平衡机制的制约,波色散现象明显;在高频下,相间来不及进行动量及能量交换,气液状态达不到有序的状态,因而波色散现象不明显;(4)不考虑虚拟质量力,两相压力衰减系数呈现增大趋势,波色散现象显著性下降．     

不同湿度和近爆炸下限条件下甲烷-空气混合物爆炸特征

为了研究不同湿度条件下低浓度甲烷-空气混合物爆炸特征,设计了饱和湿空气发生及储存装置,对管路、气囊和爆炸腔体进行温度控制和流量调节,实现了不同相对湿度的甲烷-空气混合气体的配置。采用20 L球形爆炸测试装置,分析不同相对湿度、甲烷浓度对混合物的最大爆炸压力、最大压力上升速率、爆炸下限及层流燃烧速度的影响。结果表明,随着相对湿度增大,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率逐渐下降,且呈一定的线性关系。混合气体相对湿度从27.7%增大到80.1%时,甲烷爆炸下限从5.15%上升到5.25%,上升率1.9%,层流燃烧速度随相对湿度的增大也呈线性降低趋势。在本文条件下,相对湿度对甲烷-空气混合物的爆炸影响较小,这主要与常温常压下水蒸气的饱和分压力较低有关,但在高温高压时仍需考虑水蒸气含量的增大对混合气体爆炸特征的影响。     

基于动量原理的大坡度沥青路面动水压力计算及影响因素分析Calculation and influence factors analysis for hydrodynamic pressure of asphalt pavement with large slope based on momentum theorem

在多雨地区长大纵坡沥青路面是雨天事故多发区域。应用动量定理,建立了沥青路面动水压力的力学计算模型,并系统分析了车辆荷载、行车速度和道路纵坡对动水压力的影响。结果表明,当水膜厚度＜3 mm时,动水压力随车速及车辆荷载的增大而增大,上坡时,动水压力随着纵坡坡度的增大而增大,下坡时,动水压力随着纵坡坡度的增大而减小。当水膜厚度＞3 mm时,动水压力随车速、车辆荷载增大而增大,上坡时,动水压力随着纵坡坡度的增大而增大,下坡时,动水压力随着纵坡坡度的增大呈先缓慢增加然后又缓慢减小的变化趋势;无论是上坡还是下坡,动水压力都随着车轮半径的增大而增大。本研究成果为多雨地区长大纵坡沥青路面重载交通高速行车易发生交通事故提供了理论分析依据。     

隧洞式内衬储气库极限储存压力解析解

隧洞式内衬储气库是一种新型能源储存方法,有助于平衡供需,推动国家由化石能源向绿色能源的持续过渡,有利于国家“碳中和、碳达峰”目标的实现.本文采用极限平衡方法和弹塑性分析方法推导隧洞式内衬储气库极限储存压力的解析解.在极限平衡方法中,考虑上覆围岩自重、破裂面受力和极限储存压力,选用刚性锥模型,推导了上限压力表达式;在弹塑性分析方法中,根据围岩中应力分布规律和剪切、抗拉强度,推导获得了弹塑性条件下上限与下限压力表达式.最终综合考虑两方法求得的结果,确定极限储存压力解析解.结果表明:极限平衡方法求得上限压力与埋深呈二次函数关系,且随着侧压力系数的增大而增大;弹塑性分析方法确定的上限压力和下限压力与埋深呈线性关系,下限压力随着侧压力系数的增大而减小,且Ⅰ级围岩条件下的内衬储气库不用考虑下限压力.在侧压力系数λ=1.2时上限压力最大,因此应尽量在侧压力系数为1.2的围岩条件下修建隧洞式储气库.最后根据典型工况下上限和下限压力曲线给出内衬洞室推荐压力范围.     

超临界CO_2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。     

热扩散不稳定和流体动力学不稳定对氢气/空气爆炸胞状火焰的影响

为揭示氢气/空气爆炸球形胞状火焰的传播特性,运用高速摄影技术实验研究了热扩散不稳定和流体动力学不稳定对胞状火焰结构、临界火焰半径、临界Peclet数和火焰燃烧速度的影响。结果表明:随着流体动力学不稳定的凸显,Lewis数大于1的火焰胞格尺度远大于Lewis数小于1的胞格尺度;同一初始压力下,火焰厚度随着当量比的增大呈先减小、后增大的趋势,临界火焰半径会随着当量比的增大而增大;同一当量比下,火焰厚度和临界火焰半径都会随着初始压力的升高而减小;当量比低于2.0时,不同初始压力下的临界Peclet数会随当量比的增大而线性增大;当量比为0.6,初始压力为0.05 MPa时的火焰燃烧速度最大。     

东海低渗储层压裂高起裂压力规律分析

东海HY-A1井H8b气藏为异常高温、高压地层,压裂设计的预测起裂压力与压裂施工不一致,作业中出现高起裂现象;考虑裂缝内流体压力、主应力、井壁渗透率、裂缝倾角等因素,建立了东海低渗储层压裂高起裂压力数学模型;通过现场验证,起裂压力计算误差为4.9%,具有一致性。借助二分法对模型求解,结果表明,随井斜角度的增大,当方位角<45°时,起裂压力变化随井斜角的增大并不明显,当方位角≥45°时,起裂压力呈现先减小后增大的趋势;随方位角的增大起裂角呈现先增大后减小,直至为零,起裂压力总体呈现先减小后增大的趋势;随着方位角增大,起裂压力存在最低峰值,最低峰值区间的方位角在50°～80°之间;井斜角α=0°直井段时,方位角φ=71°时,最低起裂压力峰值为58.5 MPa,在东海本区块属于高起裂;在一定的方位角度上起裂角存在最大峰值,起裂角最大峰值区间的方位角在60°～80°之间;应力差值大、泊松比小、异常高压是高起裂压力的关键因素;在压裂设计中,满足施工需求同时,尽可能设计方位角及井斜角靠近起裂压力最小区域。     

循环剪切荷载作用下软土的力学性状研究

利用从现场取得的原状土样,通过室内动三轴试验对循环荷载作用下的变形、孔压和强度特性进行研究。试验研究主要考虑了周围固结压力、循环剪切应力比、荷载频率和循环次数等因素的影响。研究表明,在循环荷载作用下,孔隙水压力和轴向应变均是一个波动上升的过程。当循环应力比增大时,动孔隙水压力变化幅值显著增加,而残余孔压也较大。同时,孔隙水压力值也随着周围压力的增大而明显增大。当作用荷载频率比较大时,需要更多的循环次数才能达到小频率作用荷载能达到的孔隙水压力值。但是,随着循环荷载作用次数的增加,频率对孔隙水压力的影响有减小的趋势。     

基于双剪应力屈服准则的受内压管道爆破压力分析

采用双剪应力屈服准则,对在内压作用下的无缺陷管道进行了塑性极限分析,得到了管道爆破压力的计算公式;并且将结果与基于Tresca、Mises、平均剪应力屈服准则得到的爆破压力进行了比较.研究结果表明:爆破压力随着管道材料的应变硬化指数的增大而减小,随着管道厚径比的增大而增大;此外,基于双剪应力屈服准则得到的管道爆破压力为爆破压力的上限,而基于Tresca屈服准则得到的爆破压力为管道爆破压力的下限.     

控压钻井中三相流体压力波速传播特性

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%.      

深井气侵关井引发的井筒多相水击压力特性研究

结合小扰动理论,建立了深井气侵关井引发的井筒多相水击压力模型。利用有限体积及特征线等数学方法,提出了基于离散网格求解井筒多相水击压力方法。结果表明:气侵量、井深及关井时间等参数均对井筒多相水击压力影响显著;井底气体的侵入,大幅降低了环空压力,增大了井筒空隙率,减小了井筒水击波速,延缓了井底水击压力峰值点出现时间;随井底气侵量增大,井筒多相水击压力呈减小趋势,气侵量从1.46m3/h增至4.14m3/h,水击压力高峰值大幅度降低;随井深增大,水击压力呈减小趋势,井深1550m同井口处相比,水击压力高峰值减小86.63%;随关井时间延长,水击压力呈减小趋势,关井时间延长10s,水击压力高峰值减小44.46%。     

超临界CO_2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。     

矩形管道中微米级铝粉爆炸实验

在矩形管道粉尘爆炸装置中开展系列实验,系统研究了点火延迟时间、粉尘粒度及粉尘浓度对铝粉尘爆炸过程中最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率的影响。研究结果表明：不同的点火延迟时间对铝粉尘爆炸压力有显著影响,随着点火延迟时间由小变大,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率呈现先增大后减小的趋势,且不同粒径的铝粉尘最大爆炸压力对应有不同点火延迟时间。随铝粉粒度的减小,最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率会呈现出先增大后减小的变化规律。铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率随浓度的增加均表现为先变大后减小的趋势,即铝粉浓度在特定数值时会使其爆炸威力最强。

     

小不耦合系数装药爆破孔壁压力峰值计算方法

基于轮廓爆破孔壁压力峰值计算方法的相关研究,充分考虑空气冲击波的传播与爆轰产物膨胀的过程,理论分析了小不耦合系数装药爆破过程中空气冲击波与炮孔壁的相互作用,建立了三维空气介质径向不耦合装药单孔爆破有限元模型,研究了工程爆破中常用的多种小不耦合系数装药组合工况下,炸药单点起爆后的炮孔壁压力峰值,并获得了相应工况下的孔壁压力峰值较爆生气体准静态等熵膨胀压力的压力增大倍数。结果表明:小不耦合系数装药爆破过程中,爆轰产物参数会对空气冲击波波后物质参数产生显著影响,揭示了小不耦合系数装药爆破与轮廓爆破在孔壁压力峰值计算方法上的本质差异;柱状装药结构爆轰波沿轴向传播使得空气冲击波撞击炮孔壁时存在叠加效应,孔壁压力峰值也相应增大,通过统计分析不同炸药类型、不同岩石类型工况下压力增大倍数与不耦合系数的关系,发现压力增大倍数随不耦合系数的增大近似呈线性增长;基于理论推导结果及常用爆破孔壁压力峰值计算形式,综合考虑炸药性能、孔壁岩石介质条件、不耦合装药系数对空气冲击波撞击炮孔壁后压力增大倍数的影响,提出了不耦合系数较小时爆破孔壁压力峰值计算方法。     

含瓦斯煤体的冲击力学特性研究1)

为得出含瓦斯煤体的冲击力学特性,采用类单轴压缩试验方法,对吸附瓦斯压力在0 MPa, 2 MPa, 4 MPa, 6 MPa等情况下的煤样力学特性进行了研究。研究得出：随着吸附瓦斯压力的增大,煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能指数均近似线性降低,峰值应变近似线性增大。随着吸附瓦斯压力的增大,煤体的破坏类型由脆性向延性破坏转变,破坏的分选性增强。吸附瓦斯的作用加速了煤体失稳破坏的进程,并使煤岩瓦斯动力灾害类型呈现由冲击地压主导型向煤与瓦斯突出主导型转变的趋势。     

黄土中压力型锚索锚固段应力分析

为研究黄土地区压力型锚索锚固机理,根据压力型锚索锚固段受力状态,基于三线型剪切-滑移模型,推导了注浆体与岩土体界面在弹性阶段所对应的剪应力及轴向应力分布的闭合解.根据相关压力型锚索锚固试验数据,采用推导的闭合解计算了不同张拉荷载作用下界面的剪应力分布,并与试验结果进行了对比.结果表明,各级张拉荷载作用下注浆体/岩土体界面剪应力的分布及其最大值与试验结果基本吻合,验证了本文提出解析模型的正确性与可靠性;压力型锚索锚固界面剪应力呈指数分布规律,在承压板附近剪应力分布集中且应力较大,随着离承压板距离的增大,剪应力逐渐减小;压力型锚索锚固界面剪应力峰值随外荷载增大而增大.研究结果可为压力型锚索的设计和计算提供一种理论参考.     

20L近球形容器中微米级铝粉的爆炸特性

采用20 L近球形粉尘爆炸实验系统,探究微米级铝粉在不同点火延迟时间、粉尘粒径及粉尘浓度下的爆炸特性规律。结果表明:当点火延迟时间在20~120 ms范围内,铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率先增大后减小,随铝粉粒径增大,最佳点火延迟时间增大;在任一点火延迟时间下,粒径大于8.12 μm的铝粉最大爆炸压力随粉尘粒径的减小呈增大的变化趋势;粒径大于8.12 μm的铝粉,在80~440 g/m3粉尘浓度范围内,铝粉最大爆炸压力和最大爆炸压力上升速率先增大后减小,且铝粉粒径越小,对应的最猛烈爆炸粉尘浓度越低。     

螺栓松动边界下纤维增强复合薄板的振动测试方法

提出了基于预埋压力传感器的量化测试方法,研究了螺栓松动边界对纤维增强复合薄板振动特性的影响。首先,自主设计并开发了带有预埋压力传感器的螺栓松动边界下复合薄板的振动测试系统,并详细介绍了系统各个部件的组成和功能;然后,归纳出一套合理、规范的松动边界下复合薄板的振动测试流程,并对HF10碳纤维/树脂复合薄板进行了实际测试。结果表明:随着螺栓松动程度的不断增加,复合薄板的固有频率逐渐降低,模态振型的节线位置也发生了不同程度的变化,但其阻尼结果呈现先增大后减小的趋势;而共振和非共振响应呈现先减小后增大的趋势。     

破膜压力对氢气-甲烷-空气泄爆的影响

选取了300 mm×300 mm×1000 mm、顶部设有250 mm×250 mm泄爆口的管道,用不同厚度的铝箔密封泄爆口,注入氢气-甲烷-空气混合气体,进行泄爆实验,研究了0~44 kPa的爆破压力($ {p}_{\mathrm{v}} $)对火焰演化和管道内外压力变化的影响。结果表明,$ {p}_{\mathrm{v}} $会显著影响管道中火传焰播过程以及压力-时间变化曲线;所有实验中均观察到了内部压力的亥姆霍兹振荡,振荡频率随着${p}_{{\rm{v}}}$的增加而增大;当$ {p}_{\mathrm{v}} $≥12 kPa时会出现频率约为1200 Hz的声学振荡。对于某一确定的$ {p}_{\mathrm{v}} $,管道内最大内部超压随至泄爆口距离增加而增大;靠近泄爆口处和管道中心的最大内部超压几乎随着$ {p}_{\mathrm{v}} $呈线性增加,但是靠近底部处的最大压力与$ {p}_{\mathrm{v}} $呈非线性递增关系,外部爆炸所产生的压力峰值随$ {p}_{\mathrm{v}} $的增加而增大。     

黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁振动特性的研究

黏弹性阻尼一直是轴向运动系统的研究热点之一.以往研究轴向运动系统大都没有考虑黏弹性阻尼的影响.但在工程实际中, 存在黏弹性阻尼的轴向运动体系更为普遍.本文研究了黏弹性阻尼作用下轴向运动Timoshenko梁的振动特性.首先, 采用广义Hamilton原理给出了轴向运动黏弹性Timoshenko梁的动力学方程组和相应的简支边界条件.其次, 应用直接多尺度法得到了轴速和相关参数的对应关系, 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似解析解.最后, 采用微分求积法分析了在有无黏弹性作用下前两阶固有频率和衰减系数随轴速的变化; 给出了前两阶固有频率和衰减系数在黏弹性作用下的近似数值解, 验证了近似解析解的有效性.结果表明: 随着轴速的增大, 梁的固有频率逐渐减小.梁的固有频率和衰减系数随着黏弹性系数的增大而逐渐减小, 其中衰减系数与黏弹性系数成正比关系, 黏弹性系数对第一阶衰减系数和固有频率的影响很小, 对第二阶衰减系数和固有频率的影响较大.