双颗粒在圆管中并列沉降运动规律研究

作     者：王成旗 

作者单位：东北石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘保君;史海霞

授予年度：2022年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 08[工学] 082003[工学-油气储运工程] 

主      题：颗粒沉降 并列沉降 沉降轨迹 沉降速度 

摘      要：颗粒沉降现象在石油工业、采矿业和生态工业等不同的领域中广泛存在,对人类的生产和生活有着重要的影响。在石油工程领域中存在许多复杂的颗粒沉降现象,例如石油开采过程中的油、水、岩屑、砂粒等多相流动、油气管道运输中颗粒的悬浮流动、污水处理厂沉淀池中的颗粒沉淀等,因此有必要对颗粒在流体中的沉降行为规律展开深入的研究,为颗粒沉降理论规律的工程应用提供参考和依据。本文主要研究双颗粒在圆管中并列沉降的运动特性以及颗粒-流体、颗粒-管壁和颗粒-颗粒之间的相互作用,分析双颗粒在圆管中的沉降运动规律。实验设计并组装了一套颗粒沉降运动实验装置,以双球体颗粒作为研究对象进行了一系列双颗粒并列沉降运动实验,从受力情况和流场特性等角度对双颗粒并列沉降的轨迹和沉降速度变化规律进行了深入探究。首先进行了单颗粒沉降运动实验,对颗粒最终沉降时的雷诺数和阻力系数进行计算,曲线拟合得到颗粒最终沉降时的阻力系数和最终沉降速度的经验表达式,并采用壁修正系数来修正壁面效应对颗粒最终沉降速度的影响。在单颗粒沉降运动的基础上再进行双颗粒并列沉降运动实验,实验分为相同双颗粒并列沉降实验和不同双颗粒并列沉降实验两部分,主要研究颗粒初始间距、颗粒粒径和颗粒密度等参数的变化对双颗粒并列沉降运动特性的影响。实验结果表明:相同双颗粒在沉降过程中由于侧向力的存在会作相互排斥运动,颗粒间相互作用会减小沉降时颗粒所受到的流体阻力,使得双颗粒的沉降速度大于其单颗粒最终沉降时的速度,当增大颗粒粒径和密度或者减小初始间距时,颗粒间的相互作用会更强烈,使双颗粒沉降速度增大得更多。不同双颗粒并列沉降时较大的颗粒在沉降中占主导作用,较小颗粒的沉降行为由较大颗粒所决定,同粒径不同密度双颗粒和同密度不同粒径双颗粒并列沉降时轻（小）颗粒会受到重（大）颗粒的拖拽作用发生横向偏移,偏移距离与两颗粒的密度差、粒径差和初始间距密切相关;不同密度不同粒径双颗粒并列沉降时颗粒呈现出拖拽、相互排斥和整体沉降3种不同的沉降方式,沉降方式由两个颗粒的粒径差和密度差所决定,不同沉降方式的双颗粒具有不同的沉降轨迹和沉降速度。