四种湍流模型对空化流动模拟的比较

采用四种湍流模型对NACA66水翼空化流动进行模拟,分析了不同湍流模型和壁面函数对空化流动模拟结果的影响.分析结果表明:ASM模型和RNG k-ε模型对空化数不敏感,且计算精度较高;Realizable k-ε模型对空化数的变化很敏感,对不同的空化数计算精度相差很大;标准k-ε模型对空化数不敏感,但精度不高.增强壁面函数法对空化数不敏感,计算精度较高;标准壁面函数法和非平衡壁面函数法对空化数有一定的敏感性,但计算结果差异不大.     

下平板滑移对后台阶流的影响

采用混合有限分析解法对后台阶流在下平板滑移作用下的流动状况进行了数值模拟,并在与典型后台阶流进行比较的基础上分析了下平板滑移对流动结构所产生的影响。计算结果表明,这种情况下的后台阶流动涡漩结构更为复杂,流动区域内生成三个漩涡,两个小漩涡位于下部漩涡区,其长度主要随着下平板滑移速度的增大而减小;一个大漩涡位于上部漩涡区,其长度随着下平板滑移速度和雷诺数的增大而增大,但雷诺数的影响更为显著。     

两刚性圆球间双黏度流体挤压流动压力分析

颗粒物质是大量固体颗粒相互作用而组成的复杂体系。颗粒间孔隙水具有复杂连通结构和复杂的流动规律,直接影响颗粒体系的变形和强度,目前颗粒间隙液体的挤压流动和剪切运动分析是流体力学的难点。基于Reynolds润滑理论,导出了存在填隙双黏度流体时,两刚性圆球间流体的挤压流动速度场和压力方程。根据应力的变化情况,将流体分为屈服区和未屈服区,讨论了两区厚度与流体及颗粒参数的关系,分析了流体压力分布随计算参数的变化规律,得到了法向挤压黏性力的积分表达式,并给出了黏性力随不同参数的变化规律。     

基于FLUENT的二维滑坡涌浪数值模拟

本文从N-S方程出发,建立了二维滑坡涌浪控制方程,使用二维非定常分离隐式PISO算法求解方程。通过UDF(User-Defined Function)编程,采用动网格技术控制滑体的运动,结合RNGk-ε湍流模型并采用VOF方法跟踪非线性自由表面流场,基于流体计算软件FLUENT模拟滑体下滑所引起的水的速度、自由表面高度变化以及流动过程,并将数值计算结果与Monaghan和Kos的试验数据进行比较。算例表明:本模型能很好地模拟出滑体下滑过程中孤立波的产生和传播以及涡流的形成。在此基础上,本文还研究了滑体速度对水体自由表面变形的影响。     

三维交叉裂隙渗流传质特性数值模拟

对交叉裂隙渗流传质特性的定量描述是研究整个裂隙网络渗透传质特性的基础。为真实模拟水流及溶质在三维交叉裂隙中的运移过程,首先通过三维轮廓仪获取天然岩石裂隙表面的形貌数据,再应用三维重构技术生成相应的三维交叉裂隙模型,随后求解Navier-Stokes方程,假定溶质运移满足Fick定律,模拟水流和溶质在三维交叉裂隙中的运移过程。通过对比粗糙裂隙模型与平行平板模型的模拟结果发现：粗糙度对流体的分布及流动状态存在显著的影响;不同进、出口工况下的流体流动及溶质运移状态亦表明：裂隙交叉的几何形貌会显著地影响溶质混合行为。这些结果表明,目前被广泛采用的平行平板模型在评估岩体内特别是交叉口的物质运移特性时将导致较大的偏差,在将来的研究中有必要针对裂隙交叉口的几何特征建立修正的模型以提高评估的准确性。     

等效水力隙宽和水力梯度对岩体裂隙网络非线性渗流特性的影响

等效水力隙宽和水力梯度是影响岩体裂隙网络渗流特性的重要因素。制作裂隙网络试验模型,建立高精度渗流试验系统;求解纳维-斯托克斯方程,模拟流体在裂隙网络内的流动状态,研究等效水力隙宽和水力梯度对非线性渗流特性的影响。结果表明,当水力梯度较小时,等效渗透系数保持恒定的常数,流体流动属于达西流动区域,流量与压力具有线性关系,可采用立方定律计算流体流动;当水力梯度较大时,等效渗透系数随着水力梯度的增加而急剧减少,流体流动进入强惯性效应流动区域,流量与压力具有强烈的非线性关系,可采用Forchheimer方程计算流体流动。随着等效水力隙宽的增加,区别线性和非线性流动区域的临界水力梯度呈幂函数关系递减。当水力梯度小于临界水力梯度时,控制方程可选立方定律;当水力梯度大于临界水力梯度时,控制方程可选Forchheimer方程,其参数A和B可根据经验公式计算得到。其研究结果可为临界水力梯度的确定及流体流动控制方程的选取提供借鉴意义。     

温度作用下CT三维重建煤体微观结构的渗流和变形模拟

为研究煤炭深部开采区域内温度对煤体渗流以及孔裂隙结构变形的影响,应用CT三维重构技术,借助ANSYS软件对煤体微观孔裂隙结构分别进行共轭传热模拟和热变形模拟。共轭传热模拟结果显示,20℃的水经80℃的煤体壁面加热后以37.13℃流出,煤体温度沿壁面向流体中心逐渐降低,孔裂隙结构对于流动速度和温度的分布有重要的影响,沿流动方向截面连通孔隙率大,则流动速度慢,流体升温快,固体温度下降;反之,则流动速度快,流体升温变缓,固体温度回升。热变形模拟结果显示,骨架变形量与距约束面的距离成正比,约束面附近变形量小,变形方向指向孔裂隙空间,距约束面远的位置变形量大,变形方向向外发散,裂隙的存在会使变形量增加,且随温度载荷的增加,不同孔裂隙结构间的变形差异增加。     

温度作用下CT三维重建煤体微观结构的渗流和变形模拟

为研究煤炭深部开采区域内温度对煤体渗流以及孔裂隙结构变形的影响,应用CT三维重构技术借助ANSYS软件对煤体微观孔裂隙结构分别进行共轭传热模拟和热变形模拟。共轭传热模拟结果显示20℃的水经80℃的煤体壁面加热后以37.13℃流出,煤体温度沿壁面向流体中心逐渐降低,孔裂隙结构对于流动速度和温度的分布有重要的影响,沿流动方向上,截面连通孔隙率大则流动速度慢,流体升温快,固体温度下降;反之则流动速度快,流体升温变缓,固体温度回升。热变形模拟结果显示骨架变形量与距约束面的距离成正比,约束面附近变形量小,变形方向指向孔裂隙空间,距约束面远的位置变形量大,变形方向向外发散,裂隙的存在会使变形量增加,且随温度载荷的增加不同孔裂隙结构间的变形差异增加。     

任意三角形毛细管中水力传导率与形状因子关系研究

孔隙级网络模型可以用简单几何体来代表真实的孔隙孔喉,以分析流体在这些简单几何体中的流动,具有重要的意义。利用有限元法对任意三角形截面管中的单相和油水两相流动的速度场进行了求解,后由速度场进一步计算出了水力传导率。研究了水力传导率与形状因子之间的关系,结果表明,单相流水力传导率与形状因子近似呈直线关系,而油水两相流时,水力传导率除与形状因子有关外,还随着角落半角和油水接触角的变化而变化。     

弯曲槽道边壁振动情况下湍流特性的大涡模拟

为了更好地理解透平机械流道内能量耗散的机理和湍流结构变化,利用大涡数值模拟方法,数值试验了时、空做正弦振动的壁面所围成的弯曲槽道内的湍流流动。研究了6种不同的振动参数下,槽道内压力分布、近壁涡量以及其它相关湍流统计量的分布特性。计算结果表明,受展向壁面振动的影响,近壁区速度梯度增加,粘性底层变薄,湍流强度增加,能量耗散加大。该研究还发现壁面展向振动而引起的能量耗散主要依赖于近壁区粘性底层的展向涡量大小。     

非定常不稳定液固两相流动中旋涡对颗粒运动影响的数值研究

构建起双向耦合的液固两相流动旋涡动力学模型与数值方法;应用离散涡方法,计算非定常不稳定水流场;采用Lagrange方法模拟颗粒运动,颗粒对流体的反作用通过修正涡泡运动速度来实现。利用所建模型,计算了两种St数的泥沙粒子在圆柱绕流场中的运动。结果证明了液固两相流动中颗粒运动与旋涡存在着明确的相关结构:(1)当水沙混合物中的泥沙颗粒碰上旋涡时,泥沙颗粒被卷入旋涡中,被卷入旋涡中的泥沙颗粒在运动过程中始终分布于旋涡区;(2)均匀水沙混合物绕圆柱流动,由于流体流过圆柱时产生剧烈分离流动,使得在尾迹流内中等St数 (St～o (1))的泥沙颗粒从均匀水沙混合物中分离出来而往旋涡区聚集。     

谷氨酸插层镁铝水滑石微观结构与性能:实验与理论研究

采用共沉淀法合成了谷氨酸插层镁铝水滑石(LDHs-Glu),并使用XRD表征技术以及分子动力学模拟方法对其微观结构与性能进行了研究。结果表明随着LDHs-Glu中水分子数量增加,层间距d003逐渐增大。XRD表征得到其层间距为1.328 nm,与理论模拟得到的当水分子数Nw=7时的水滑石层间距d003=1.323 nm相近。随着层间水分子数量增加,水合能逐渐增大,最终趋于流体水的特征值(-41.8 kJ/mol)。水合过程中,水滑石层板与阴离子间的氢键逐渐减少,而层板与水分子间的氢键逐渐增多,说明水分子与层板间的亲和力更强。实验表征与理论模拟相结合的研究方法,有望成为插层复合材料微观结构研究的重要手段。     

地球内部熔/流体的分子模拟:进展与展望

目前对超临界地质流体的形成条件、成分、结构和物理化学性质的认识还不是特别清晰,分子模拟作为一种方兴未艾的理论研究手段,正在被广泛应用于地球科学领域。本文简述了目前采用分子模拟研究硅酸盐熔体、含水硅酸盐熔体、富水流体以及超临界地质流体所取得的主要成果,侧重讨论分子模拟方法在其中的应用,为超临界地质流体的计算模拟研究提供帮助,并展望了超临界地质流体分子模拟可能遇到的挑战和发展趋势。已有研究结果表明,不同分子模拟方法各有优缺点,相对于精度较低的经典分子动力学方法而言,采用一般泛函的第一性原理方法加上色散校正之后,可以满足目前对超临界地质流体研究的精度需要。另外,机器学习和第一性原理方法结合,以及建立相关热力学模型将是推进与超临界地质流体相关研究的有效途径。     

Structure and Properties of Mg/A1 Layered Double Hydroxides Intercalated with Glutamic Acid： Experimental and Theoretical Studies

采用共沉淀法合成了谷氨酸插层镁铝水滑石（LDHs-Glu）,并使用XRD表征技术以及分子动力学模拟方法对其微观结构与性能进行了研究。结果表明随着LDHs-Glu中水分子数量增加,层间距d003逐渐增大。XRD表征得到其层间距为1.328 nm,与理论模拟得到的当水分子数Nw=7时的水滑石层间距d003=1.323 nm相近。随着层间水分子数量增加,水合能逐渐增大,最终趋于流体水的特征值（-41.8 kJ/mol）。水合过程中,水滑石层板与阴离子间的氢键逐渐减少,而层板与水分子间的氢键逐渐增多,说明水分子与层板间的亲和力更强。实验表征与理论模拟相结合的研究方法,有望成为插层复合材料微观结构研究的重要手段。     

PHREEQC模拟宝坻区地表水回灌雾迷山组地热井探析

天津市蕴藏着丰富的中低温地热资源,但是近年来地热集中开采区内热储压力持续下降,为了提高地热资源的可持续利用强度,对地热回灌方法的研究势在必行。本文从水文地球化学角度入手,分析了不同比例地表水与地热流体混合后流体主要离子组分的变化情况及结垢性,并以潮白河河水回灌宝坻区雾迷山组地热井(BD-02井)为例,采用PHREEQC软件对混合作用进行了不同比例模拟,结果显示混合比例达到1:1时,主要离子组分含量稳定,未对原地热流体水质造成影响。河水与地热流体混合时,碳酸盐矿物、含铁矿物、温石棉和滑石的饱和指数呈现降低趋势,不会出现结垢的现象,回灌能长期稳定进行。     

液化流动条件下隧道结构动力分布场研究

将液化流动的土体视为流体,运用流体力学原理,基于矢量符号运算法进行液化场地的动力场分析,求解出动力场解析解。采用ABAQUS/CFD进行液化场地流体动力学有限元分析,根据流动基本控制方程,计算出动力场的数值解。分析结果表明,液化土体横向流动时,隧道结构周围的应力场既包括由表面压力引起的压力阻力,也包括由剪应力引起的摩擦阻力;隧道结构周围的液化土体流动速度很小,但在隧道结构下方存在流动速度加强区;理论计算的动力场解析解大于有限元计算的数值解,但总体的分布变化趋势基本一致;隧道结构附近的应力场变化较为密集,所受到的应力主要分布在液化土体流动的迎面位置。     

热力作用下石油流体运移的能量方程

为了探讨油气运移成藏机制, 从热力学角度论证了热可以作为油运移的动力, 并根据模拟实验结果首次建立热力系条件下热作为流体运移动力时流体流动的能量方程, 研究了流体在热力作用下焓的变化情况.在模拟实验中油运移的速度和距离取决于油(流体)从外界吸收的热量及焓.由此, 有可能对热作为石油流体输运动力进行半定量-定量研究.同时, 结合实际例子探讨了热力学系统中流体运动的热力学关系, 认为热作为流体输运的动力在实际盆地中比较复杂.如果从单一因素(热)来考虑流体运移动力, 则取决于热的大小和输导层的物性、产状等.      

深井旋转轴套流场的CFD模拟

旋转轴套在超深井工作时,其井下流动是三维湍流流动,旋转轴套的旋转和表面曲率效应以及随之而来的哥氏力和离心力,使流场在超深井的流动中极其复杂,同时,由于流体介质泥浆属于液固两相流,更致使内部流场测试困难,而且超深井中的工况在使用常规方法已很难得到较准确的数据。为此,将计算流体力学软件Fluent应用于超深井下流场的模拟,基于Navier-Stokes方程和Reynolds应力方程模型,建立多种仿真模型,在相同条件下,使用CFD仿真软件Fluent模拟仿真的不同结果,优化与旋转轴套叶片设计相关的几何参数,提高     

扩张式随钻扩孔器扩孔机构流场分析与优化

随钻扩孔是大洋钻探跟管钻进工艺的关键技术环节,扩张式随钻扩孔器通过压差控制刀翼的张开和闭拢,扩孔率大,可有效实现套管跟管钻进。设计了悬臂式扩孔器,采用偏置式喷射孔布置对刀翼进行冲刷,运用计算流体力学理论,采用标准k-湍流模型,对喷射孔在不同角度和直径下的流场进行模拟分析。模拟结果表明：作用于扩孔刀翼切削齿的流体速度和动压力受喷射孔角度、直径和环空钻井液综合影响;随着喷射孔角度α从40°递增至90°,作用于切削齿的流体速度呈类余弦曲线变化;随着喷射孔直径d从4 mm增大到10 mm,作用于切削齿的流体速度和动压力呈抛物线型变化;综合考虑冲刷效果、加工性能和喷射流体与环空钻井液的相互作用,优选α=70°、d=8 mm。陆地试验和浅海试验证明,扩张式随钻扩孔器结构功能可行,扩孔尺寸满足套管正常跟管钻进需求,优选的喷射孔角度和直径可对刀翼形成良好冲刷,有效防止泥包产生。研究成果可为大洋钻探不同规格的随钻扩孔器设计提供参考依据。     

构造应力对裂缝形成与流体流动的影响

裂缝是低渗透储层流体流动的主要通道,控制了低渗透油气藏的渗流系统。低渗透储层裂缝的形成与流体密切相关,高流体压力引起岩石内部的有效正应力下降,导致岩石剪切破裂强度下降,使岩石容易产生裂缝。高孔隙流体压力还造成某一点的应力摩尔圆向左移动,可以使其最小主应力(σ3)由压应力状态变成拉张应力状态,从而在岩石中形成拉张裂缝。裂缝的渗透性受现今应力场的影响,通常与现今应力场最大主压应力近平行分布的裂缝呈拉张状态,连通性好,开度大,渗透率高,是主渗透裂缝方向。构造应力对沉积盆地流体流动的影响主要表现在三个方面:(1)构造应力导致的岩石变形,不仅提供了流体流动的通道,而且还改变了岩石的渗透性能;(2)在构造强烈活动时期,构造应力的快速变化是流体流动的重要驱动力;(3)岩石中应力状态影响多孔介质的有效应力,从而影响介质中的渗流场。当作用在含流体介质上的构造应力发生改变时,岩石孔隙体积变小,构造应力首先由岩石的骨架来承担;当岩石孔隙体积减小到一定程度时,构造应力由孔隙流体来承担,从而影响岩层渗流场的变化。