水力噴砂射孔噴嘴的數(shù)值模擬及試驗研究

針對油田罐體內(nèi)易沉積泥砂和這些含油泥砂難以自動清理的技術(shù)問題,選擇圓錐收斂形沖砂噴嘴進行了水力沖砂性能的試驗研究。確定了單個噴嘴的最佳沖砂流量和沖刷范圍,得到流量q、噴距h(噴嘴與砂面垂直距離)、沖刷坑尺寸之間的關(guān)系,按此參數(shù)設(shè)計的水力沖砂噴嘴管網(wǎng)能使沖砂覆蓋率達到99%,并能使油水界面基本不受擾動影響。

為了有效地保持油田的穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn),科學(xué)工作者提出了用于切割、破巖和清洗的水力噴砂射流技術(shù)。它能增加彈道的穿透深度,減少壓實傷害,改善壓裂效果。因為對水力噴砂射流機理、影響因素研究的不夠深入及成本高等因素,在很長一段時間內(nèi)水力噴砂射流技術(shù)未能得到廣泛應(yīng)用。迅速發(fā)展的計算機技術(shù)與日益成熟的計算流體力學(xué),為水力噴砂器的數(shù)值研究提供了可靠途徑。采用計算流體力學(xué)的方法,利用仿真軟件,對不同磨料密度﹑粒徑和噴射速度下的噴砂器工作情況進行了數(shù)值研究。切割口處的壓力隨顆粒直徑和射流速度的增加而增加,隨粒徑的增加而減少。這一研究結(jié)果,可為水力噴砂射流器優(yōu)化方案的研究提供理論基礎(chǔ)。

噴嘴是水力噴砂壓裂技術(shù)中最重要的部位,在施工過程中容易發(fā)生沖刷腐蝕,噴嘴的使用壽命因此縮短。運用計算流體力學(xué)的方法,建立了噴嘴沖刷腐蝕的數(shù)學(xué)模型,在介質(zhì)腐蝕性一致的條件下,研究入口壓力、含砂量、顆粒大小和密度、液相粘度對噴嘴壁受到的剪切應(yīng)力大小的影響。結(jié)果顯示,噴嘴沖刷腐蝕最嚴(yán)重的部位是入口處,入口壓力和含砂量對噴嘴壁剪切應(yīng)力的大小影響最大。

砂土應(yīng)力路徑試驗的數(shù)值模擬——在一組應(yīng)力路徑試驗的基礎(chǔ)上，利用砂土的狀態(tài)相關(guān)本構(gòu)模型，對不同應(yīng)力路徑下飽和砂土在三軸固結(jié)排水剪切過程中的變形特性進行模擬。將模擬結(jié)果與試驗結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)這種狀態(tài)相關(guān)本構(gòu)模型不僅能夠較好地模擬出不同應(yīng)力路徑下...

分析了水力噴砂壓裂工具噴嘴磨損的機理。水力噴砂射流對噴嘴的磨損主要是噴砂射流中砂粒對噴嘴內(nèi)壁材料的沖蝕磨損。砂粒對噴嘴內(nèi)壁面沖蝕磨損作用的形式包括微切削磨損、疲勞磨損、脆性斷裂磨損及擴散磨損等。研究表明:噴嘴材料的微觀組織結(jié)構(gòu)及物理力學(xué)性能、噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)形狀及幾何參數(shù)、噴嘴內(nèi)表面粗糙度、噴砂射流中砂粒濃度、砂粒特性(硬度、粒度、形狀等)及射流工作參數(shù)(射流壓力等)對于噴嘴的磨損都有影響。提出了耐磨材料選擇,噴嘴內(nèi)流道結(jié)構(gòu)優(yōu)化等延長噴嘴壽命的措施。

運用數(shù)值模擬的方法,結(jié)合油田的實際資料,建立了數(shù)值模擬模型,從油藏非均質(zhì)性、初配產(chǎn)速度及最佳射孔方案(射開程度、避水高度)等方面,探討了水力深穿透射孔技術(shù)開發(fā)底水油藏的理想方案。比較理想的開發(fā)方案是:射開比應(yīng)小于30%,避水高度應(yīng)大于60%。

為研究t型三通管水流的流動特性,該文進行了試驗研究和數(shù)值模擬。試驗中使用壓力傳感器監(jiān)測管道動水壓強,數(shù)值模擬采用simplec的求解方法求解navier-stokes方程和κ-ε湍流方程。分析不同工況下水頭損失的產(chǎn)生機理,得到了不同分流比、入口流速、管徑比對水頭損失系數(shù)的影響:單管通水時水頭損失系數(shù)比雙管通水時的水頭損失系數(shù)約大1.01～1.94倍,當(dāng)入口雷諾數(shù)re相同時垂直支管的水頭損失系數(shù)比水平支管的水頭損失系數(shù)約大2.20～2.55倍,不同管徑比對垂直支管的水頭損失系數(shù)影響不明顯,水平支管的水頭損失系數(shù)隨管徑比的增大而減小。研究結(jié)果表明,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,得出的結(jié)果對工程有指導(dǎo)意義。

基于fluent軟件,采用k-ω型對孔板水力空化進行數(shù)值模擬,將相同條件下模擬所得的空化區(qū)與實驗空化區(qū)進行比較。結(jié)果表明,模擬計算得到的汽含率分布與實驗拍攝的汽含率分布相似,k-ω型模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。采用該模型分析了不同入l口壓力、孔板結(jié)構(gòu)參數(shù)、液體物性參數(shù)對空化強度的影響,模擬結(jié)果表明,入口壓力越大,空化強度越劇烈;增加孔徑和孔的數(shù)量使空化強度減弱;增大液體密度和粘度使空化強度減弱;增大液體初始含氣量使空化強度先增大后減小。

對一經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的泵站簸箕型進水流道制作了水力模型,測試其水力損失;采用雷諾平均納維斯托克斯方程(rans)和標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型,運用simplec算法,對流道內(nèi)部流場進行了三維湍流數(shù)值模擬,揭示了流道內(nèi)水流的流態(tài)和特征斷面的速度分布規(guī)律.試驗和數(shù)值分析結(jié)果表明,所設(shè)計的簸箕型進水流道內(nèi)無漩渦,流態(tài)良好,水力損失小,水泵進口速度分布均勻,加權(quán)平均入流角接近90.°

砂固結(jié)預(yù)應(yīng)力錨桿的試驗及其數(shù)值模擬——砂固結(jié)頹應(yīng)力錨桿的錨固力是由砂體與錨孔壁之間的摩擦力提供的。設(shè)計了室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，并對這項技術(shù)作了深入地研究?；谑覂?nèi)試驗成果，對現(xiàn)場試驗作了數(shù)值模擬分析。

薄壁堰是一種體型簡單、經(jīng)濟實用、精度較高的量水設(shè)施,薄壁側(cè)堰經(jīng)常與小型渠道連接使用。目前對薄壁側(cè)堰水力特性影響因素的研究還不深入,本文作者在矩形渠道薄壁側(cè)堰試驗研究的基礎(chǔ)上,利用flow-3d軟件對渠道側(cè)堰進行了數(shù)值模擬計算,獲得了不同堰高、不同流量條件下矩形渠道側(cè)堰上、下游水面線、水深及流速分布,通過對渠道水面線實測值和模擬值的對比分析發(fā)現(xiàn)模擬值與實測值吻合較好,并對模擬結(jié)果進行了分析;根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合了流量公式。結(jié)果表明:模擬值與實測值的相對誤差<10%,兩者具有較好的一致性,說明數(shù)值模擬具有一定的可靠性,可以為量水設(shè)施的工程設(shè)計提供參考和依據(jù);擬合出的流量公式,最大相對誤差為5.91%,最小相對誤差為1.07%,滿足精度要求。

薄壁堰是一種體型簡單、經(jīng)濟實用、精度較高的量水設(shè)施，薄壁側(cè)堰經(jīng)常與小型渠道連接使用。目前對薄壁側(cè)堰水力特性影響因素的研究還不深入，本文作者在矩形渠道薄壁側(cè)堰試驗研究的基礎(chǔ)上，利用flow-3d軟件對渠道側(cè)堰進行了數(shù)值模擬計算，獲得了不同堰高、不同流量條件下矩形渠道側(cè)堰上、下游水面線、水深及流速分布，通過對渠道水面線實測值和模擬值的對比分析發(fā)現(xiàn)模擬值與實測值吻合較好，并對模擬結(jié)果進行了分析；根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合了流量公式。結(jié)果表明：模擬值與實測值的相對誤差〈10％，兩者具有較好的一致性，說明數(shù)值模擬具有一定的可靠性，可以為量水設(shè)施的工程設(shè)計提供參考和依據(jù)；擬合出的流量公式，最大相對誤差為5．91％，最小相對誤差為1．07％，滿足精度要求。

盾構(gòu)周圍土壓力的試驗研究與數(shù)值模擬——建立大型盾構(gòu)模擬試驗平臺和直徑為1．8m的盾構(gòu)機模型，在軟土、砂土及砂礫土層中進行盾構(gòu)模型的掘進試驗，在試驗中分別采用刀盤開口率為30％和70％的盾構(gòu)模型進行模擬掘進。模型盾構(gòu)掘進過程中，監(jiān)測系統(tǒng)實時采集推力...

混凝土的抗損壞性影響到建筑物在使用過程中的安全性。為了探明混凝土的爆破特性,對不同強度的三組混凝土進行爆破試驗,分析它們的爆破效果。使用ansys/ls-dyna有限元程序模擬混凝土爆破。結(jié)合實驗碎片的分布和數(shù)值模擬得到的爆炸應(yīng)力波傳播規(guī)律,得到分析結(jié)果:混凝土強度越高,其抗損壞性越高。水泥的配比增加,混凝土內(nèi)部黏性提高,應(yīng)力傳播衰減率增強,最終導(dǎo)致混凝土的抗損壞性加強。

水力噴射酸化技術(shù)是目前較新的一項儲展增產(chǎn)技術(shù),該技術(shù)既具有傳統(tǒng)酸化壓裂的特點又具有定向深穿透的優(yōu)勢,具有較好的發(fā)展前景。本文通過對水力噴射噴嘴外部流場進行模擬,對比單向流噴嘴外部流場和氣體保護氣液兩相流噴嘴外部流場的速度分布云圖得出,理論上氣體保護氣液兩相流噴射效果更好,同時模擬得到影響氣體保護氣液兩相流噴嘴外部流場的因素,為現(xiàn)場施工提供依據(jù)。

采用數(shù)值模擬的方法,研究了側(cè)墻摻氣坎的水力特性。與試驗結(jié)果對比分析表明,用紊流數(shù)學(xué)模型來模擬泄水道反弧末端側(cè)墻摻氣坎的水力特性是可行的。數(shù)值模擬表明,不論是跌坎上游側(cè)墻貼角,還是跌坎下游側(cè)墻突擴,當(dāng)側(cè)墻摻氣坎尺寸較大時,均會出現(xiàn)反弧末端過坎射流落水點下游兩側(cè)水翅串頂?shù)牟焕鲬B(tài)。其控制條件為底空腔和側(cè)空腔的相對長度,當(dāng)側(cè)空腔長度大于底空腔長度時,較長的側(cè)空腔就為跌落至底板的紊動水流提供了流動通道,會出現(xiàn)不利流態(tài),反之,當(dāng)側(cè)空腔長度較小時,能形成較好的流態(tài)。過坎水流落水點下游的流態(tài)對跌坎上游側(cè)墻貼角尺寸較為敏感,相對而言,對跌坎下游側(cè)墻突擴尺寸就不那么敏感。數(shù)值模擬也證實,采用尺寸較小的側(cè)墻摻氣坎,形成較小的側(cè)空腔,能滿足進行側(cè)摻氣的同時具有較好的流場水力特性。

文章結(jié)合武寧一吉安高速公路隧道工程，以ⅳ級圍巖為對象，采取模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分別對拱頂上方有、無斷層兩種情況下隧道開挖引起的同巖塌方破壞的漸進性過程以及巖體內(nèi)部的應(yīng)力演化規(guī)律開展研究，從而為隧道塌方事故的預(yù)防和支護結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒和參考。研究結(jié)果表明：（1）隧道開挖后，拱腰以下巖體往往因應(yīng)力集中程度較高而率先剪切破壞；（2）當(dāng)有斷層存在時，隧道開挖使得斷層下盤巖體處于懸挑狀態(tài)而容易出現(xiàn)拉剪破壞；（3）隧道開挖主要對自兩側(cè)拱腳向上與水平面成45°＋φ／2范圍內(nèi)的巖體有影響，而塌落破壞的巖體只占此影響區(qū)域的一小部分；（4）斷層的存在使得拱頂上方巖體徑向壓力在隧道開挖后更易于?，F(xiàn)降低，且應(yīng)力降低范圍相對無斷層時的要大；（5）當(dāng)無斷層存在時，拱頂上方巖體切向應(yīng)力集中是伴隨著巖體的開裂和塌落而逐步由隧道周邊向外側(cè)發(fā)展的，而當(dāng)有斷層存在時，拱頂上方切向應(yīng)力集中則出現(xiàn)在距拱頂更遠(yuǎn)的位置。

減壓孔板是消防系統(tǒng)中不可缺少的減壓設(shè)施,對其正確的設(shè)置與計算是消防系統(tǒng)設(shè)計中重要的環(huán)節(jié)。借鑒前人基于設(shè)計手冊中水頭損失公式進行改進的做法,采用數(shù)值模擬方法,對減壓孔板的水力特性進行了較為系統(tǒng)的研究。結(jié)果表明,隨著出流流量的增加,減壓孔板作用增強,壓降幅度增大,孔徑d與管徑d比(d/d)越小降壓效果越明顯。

利用有限元軟件ansys/ls-dyna,運用hjc本構(gòu)模型,對混凝土試件的shpb試驗進行數(shù)值模擬,重構(gòu)了混凝土在低、中、中高以及高應(yīng)變率下的應(yīng)力應(yīng)變曲線,并且對試件的破壞形態(tài)進行了模擬.研究表明,hjc模型可以很好地模擬混凝土材料的力學(xué)性能,重構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變曲線在曲線形態(tài)和峰值應(yīng)力上均與shpb試驗擬合良好,數(shù)值模擬得到的混凝土的破壞形態(tài)也與shpb試驗一致,確定該強度混凝土材料hjc本構(gòu)模型材料參數(shù)的方法具有通用性.

豎井式進出水口在抽水蓄能電站上庫的應(yīng)用和研究情況在國內(nèi)較少。本文結(jié)合某抽水蓄能電站上庫模型試驗任務(wù),利用模型試驗及數(shù)值計算方法,對某體型進出水口的發(fā)電和抽水各種工況下的進出水口流速分布、水頭損失、旋渦等水流特征進行了分析研究。從堰型和防渦梁角度進行了體型優(yōu)化,提出了階梯防渦梁的優(yōu)化體型。該研究內(nèi)容,對于雙向水流的流道研究,具有重要的參考價值。

鋁合金屋面系統(tǒng)在國內(nèi)已經(jīng)開始廣泛應(yīng)用,但目前對這方面的理論和試驗研究幾乎還是空白。其設(shè)計一般套用企業(yè)的產(chǎn)品表格,而這些表格大都依據(jù)國外規(guī)范,沒有考慮國內(nèi)外規(guī)范中可靠度和荷載方面的差異。為研究鋁合金面板受力性能創(chuàng)建了一個有限元三維模型,進行了鋁板的試驗研究,數(shù)值模擬與試驗結(jié)果吻合較好,為進一步研究鋁合金屋面系統(tǒng)的設(shè)計方法提供了參考。

應(yīng)用cfx軟件及標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型和多參考坐標(biāo)系,實現(xiàn)了沖壓式多級離心泵任意一整級(包括葉輪、導(dǎo)葉及泵體)的全三維流場的數(shù)值模擬。通過分析沖壓泵內(nèi)流場的壓力分布和流速分布,進而計算出泵的特性曲線,并與實驗性能曲線進行驗證,為沖壓泵的優(yōu)化設(shè)計提供參考。