幂律流体环空流数值模拟及PIV实验研究

论文摘要

幂律流体在同心及偏心环形空间中的螺旋流动现象在钻井过程中极为普遍,而钻井液在环空中的流动则有时为层流有时为紊流。紊流是流体粘性运动中最复杂的形式,在石油工业中的流动问题,除少数高粘低速流动外,绝大多数都是紊流流动。近年来,随着计算流体动力学（CFD）和流场测试技术的不断发展,数值模拟和PIV技术在流场特性研究领域得到了良好的推广和应用。因此,开展幂律流体环空流数值模拟及PIV实验研究具有学术理论意义和工程实际应用价值。本文在PHOENICS软件VR-Editor中三维笛卡尔坐标系下建立了同心及偏心环空管道的物理模型,采用SIMPLEST流场数值计算法的同时,应用有限体积法来实现控制方程离散化,紊流计算模型选取k ?ε两方程模型,近壁面采用壁面函数法来处理,模型参数设置与相应工况下的PIV实验情况完全相同,最后实现了对环空流场的数值模拟计算。通过Tecplot、Sci和Origin等软件对数模数据进行后处理,得到了同心及偏心环空流场的速度云图、向量图、流线图及轴向速度分布情况,详细分析了内管旋转角速度、流体粘滞性及偏心度对轴向速度的影响规律;通过流线图,发现偏心环空紊流螺旋流流场中存在二次流动现象,深入分析了偏心度、流体粘滞性、内管转速及旋转方向对二次流的影响规律。本文首次应用PHOENICS流体计算软件对同心及偏心环空管路中紊流螺旋流流场进行了数值模拟计算。数值模拟结果与PIV实验结果基本吻合,表明利用PHOENICS对环空流场进行数值模拟是可行的,验证了数值模拟计算结果的可靠性。这为进一步研究环空流紊流流动提供了理论依据和指导,并可促进PHOENICS软件在环空流模拟中的开发及应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 前言
• 第一章 计算流体动力学及商业软件概述
• 1.1 计算流体动力学相关知识
• 1.1.1 什么是计算流体动力学
• 1.1.2 研究流体流动的三种基本方法
• 1.1.3 计算流体动力学的工作步骤
• 1.1.4 计算流体动力学的特点
• 1.1.5 计算流体动力学的应用领域
• 1.1.6 计算流体动力学的分支
• 1.2 常用的 CFD 商用软件
• 1.3 关于PHOENICS 3.6
• 1.3.1 PHOENICS 的功能
• 1.3.2 PHOENICS 软件的局限性
• 1.3.3 PHOENICS 软件的基本结构
• 1.3.4 数值离散的方法
• 第二章 幂律流体环空流的数值模拟
• 2.1 计算模型的建立
• 2.1.1 物理模型
• 2.1.2 控制方程
• 2.1.3 边界条件的设定和网格的划分
• 2.1.4 壁面函数法
• 2.2 PHOENICS 中的相关设置
• 2.2.1 PHOENICS 读取AutoCAD 文件的步骤
• 2.2.2 关于MOFOR（Moving Frames Of Reference）
• 2.2.3 幂律流体相关参数的设置
• 2.2.4 迭代次数和CONWIZ 收敛法
• 2.3 PHOENICS 后处理软件
• 2.3.1 PHOENICS 后处理Photon
• 2.3.2 俄罗斯小软件Sci（Phoenics Reader）
• 2.3.3 Tecplot
• 2.3.4 PHI 文件转换为DAT 文件的步骤
• 第三章 幂律流体同心环空流数值模拟结果及分析
• 3.1 速度云图
• 3.2 速度向量图
• 3.3 流线图
• 3.4 轴向速度分布的影响因素及影响规律
• 3.4.1 粘滞性对轴向速度的影响规律
• 3.4.2 内管旋转角速度对轴向速度的影响规律
• 3.5 数值模拟结果与PIV 实验结果的对比
• 第四章 幂律流体偏心环空流数值模拟结果及分析
• 4.1 速度云图
• 4.2 速度向量图
• 4.3 流线图
• 4.3.1 偏心度对二次流的影响规律
• 4.3.2 粘滞性对二次流的影响规律
• 4.3.3 内管旋转角速度对二次流的影响规律
• 4.3.4 内管旋转方向对二次流的影响规律
• 4.4 轴向速度分布的影响因素及影响规律
• 4.4.1 偏心度对轴向速度的影响规律
• 4.4.2 粘滞性对轴向速度分布的影响规律
• 4.4.3 内管旋转角速度对轴向速度的影响规律
• 4.5 数值模拟结果与PIV 实验结果的对比
• 第五章 幂律流体环空流的PIV 实验研究
• 5.1 实验装置及实验方案
• 5.1.1 实验装置
• 5.1.2 实验方案
• 5.2 实验准备和实验步骤
• 5.2.1 实验准备
• 5.2.2 实验步骤
• 5.3 实验数据处理及分析
• 5.3.1 精度分析及数据处理方法
• 5.3.2 环空流实验结果及分析
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要