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弹性湍流及其对微混合效率影响研究的若干进展

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力学与实践 2008年第5期30卷 1-8,15页

作者：杨攀 Lam Yee Cheong 朱克勤 Gan Hiong Yap 清华大学航天航空学院北京100084 南洋理工大学机械与宇航工程学院

介绍和评述弹性湍流的产生及其对于微混合效率的影响等问题上的若干研究进展.弹性湍流和惯性湍流具有类似的流场特征,但引发机理有所不同.惯性湍流产生的原因是惯性引起的Reynolds应力,而弹性湍流则是由弹性应力所引起的.鉴于在微流动中... 详细信息

介绍和评述弹性湍流的产生及其对于微混合效率的影响等问题上的若干研究进展.弹性湍流和惯性湍流具有类似的流场特征,但引发机理有所不同.惯性湍流产生的原因是惯性引起的Reynolds应力,而弹性湍流则是由弹性应力所引起的.鉴于在微流动中,惯性力可忽略不计,因此牛顿流体的混合变得十分困难.此时可在流体中加入微量高分子聚合物以生成黏弹性流体.由黏弹性流体所引发的弹性湍流在提高流体微混合的效率上可发挥重要作用.

关键词：弹性湍流微混合 Batchelor子区 Weissenberg数 Deborah数

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弹性湍流机理计算机横拟研究

弹性湍流机理计算机横拟研究

作者：李远超广州大学

学位级别：硕士

与高雷诺数流动条件下产生的惯性湍流现象不同,弹性湍流是高分子溶液在低雷诺数和高魏森贝格数(以下简称Wi)条件下产生的湍流现象。其主要特征表现为流动阻力上升、流体的混合效率大幅上升、高分子浓度、高分子构象等多物理场空间上的... 详细信息

与高雷诺数流动条件下产生的惯性湍流现象不同,弹性湍流是高分子溶液在低雷诺数和高魏森贝格数(以下简称Wi)条件下产生的湍流现象。其主要特征表现为流动阻力上升、流体的混合效率大幅上升、高分子浓度、高分子构象等多物理场空间上的不均匀性和随时间变化的随机性,弹性湍流在增强混合、传导热量等方面有较高的工业价值。弹性湍流生成和发展机理是流变力学领域20多年来的学术难题。本文为了更深层次地认识弹性湍流的机理,使用大规模并行计算方法对高魏森贝格数的弹性湍流进行直接数值模拟(DNS)研究。略去复杂几何模型对弹性湍流流动产生影响,选用各向同性湍流(也称为Kolmogorov流动)这一简单的周期循环边界条件立方体,根据实验数据选用从分子模型Rolie-Poly本构关系来表征高分子聚合物应变速率与应力关系。根据对流体模拟仿真所得数据,本文根据流场特性、脉动速度功率谱、压力脉动功率谱分析判断不同Wi算例下的层流、过渡流、弹性湍流流动状态。随后根据不同的流动状态分别研究其速度场、构象场、涡结构表征、应力不变量场。研究揭示了(I)随着Wi的增加,弹性湍流的结构更加复杂,涡的结构更破碎;(II)在弹性湍流流动状态下,流动的构象场与涡量场在空间分布上有显著的相关关系;(III)黏弹流体随着Wi的增加,构象概率密度分布呈现的变化规律;(IV)在弹性湍流流动状态下,超高频率的速度脉动功率谱呈现出不同的幂律分布;(V)质量浓度为10000ppm的黏弹流体聚合物溶液压力脉动功率谱幂率与小于1000ppm浓度的压力脉动功率幂率分布特性;(VI)随着Wi增加,能谱分布更加宽广,衰减幂律随之较小。

关键词：黏弹流体弹性湍流各向同性湍流计算机模拟仿真直接数值模拟

考虑弹性湍流聚合物驱油两相微观渗流机理研究

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考虑弹性湍流聚合物驱油两相微观渗流机理研究

作者：李园园东北石油大学

学位级别：硕士

聚合物溶液作为一种非牛顿流体,聚合物驱技术被广泛的应用于国内海外油田中,其粘弹性效应可以有效地提高原油采收率（EOR）。大多数学者们研究了在层流状态下聚合物流动单相渗流机理,然而在湍流状态下,针对聚合物驱两相微观渗流机理的... 详细信息

聚合物溶液作为一种非牛顿流体,聚合物驱技术被广泛的应用于国内海外油田中,其粘弹性效应可以有效地提高原油采收率（EOR）。大多数学者们研究了在层流状态下聚合物流动单相渗流机理,然而在湍流状态下,针对聚合物驱两相微观渗流机理的研究甚少。本文在三维多孔介质聚合物单相渗流机理研究的基础上,研究聚合物驱油二维和三维多孔介质的微观渗流机理。研究结果为油田三次采油聚合物驱油体系设计、筛选提供了重要的理论支撑,同时丰富了粘弹性聚合物驱两相微观渗流机理。本文建立并求解了三维粘弹性聚合物溶液-原油在多孔介质中的连续性方程,动量方程和本构方程。利用VOF界面追踪法对两相界面进行界面追踪,对本构方程利用对数构象张量方法,使应力张量与构象张量相结合,提高了We数的计算值。以大庆油田聚合物驱为背景,根据实际油藏孔隙特征,将地下多孔介质简化为具有代表性的盲端类孔道及凸型类孔道物理模型。针对三维凸型孔道内聚合物溶液单相湍流渗流特征,结合流向速度波动特征和湍能强度,研究发现We=3时,速度曲线发生了轻微的波动;当We=5时,速度曲线波动幅度较大,湍能强度最强,为3.3%。根据对速度、流线和应力特征的研究,湍能强度越强,凸型孔道内流体的流速越大,流线越不稳定,应力最大值也越大。针对二维盲端孔道内速度波动研究发现,二维孔道内聚合物驱未发生弹性湍流,从饱和度、速度等值线、流线分布和含水率特征曲线分析发现,We数越大,驱油效率越高。与We=0.1、We=1、We=2和We=5相比,We=23聚合物驱的驱油效率高9.1%～35.6%。针对三维盲端孔道内聚合物驱油两相湍流渗流特征,根据弹性湍流发生的临界条件,当We=5时,聚合物驱发生了弹性湍流。当We=10时,聚合物驱的弹性湍流强度最强,驱油效率最高达到18.8%。随着We数进一步增加,湍能强度逐渐减弱,驱油效率也逐渐略有降低。对比应力和压力发现,发生弹性湍流的聚合物驱的压力和应力最大值均高于未发生弹性湍流聚合物驱应力和压力的最大值,且弹性湍能强度越强,应力和压力的最大值越大。根据速度等值线和流线分布特征,湍能强度最大时速度等值线在盲端处的波及深度最深,流线呈现不规则的交叉流动,在盲端内具有明显的二次涡流现象。研究结果表明三维孔道内弹性湍流的发生能够进一步提高原油采收率。

关键词：粘弹性聚合物弹性湍流对数构象张量法驱油效率 VOF

粘弹性流体三维Kolmogorov流动弹性湍流直接数值模拟研究

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粘弹性流体三维Kolmogorov流动弹性湍流直接数值模拟研究

作者：张红娜哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

粘弹性流体弹性湍流现象是在极低雷诺数下(惯性效应可以忽略),完全由流体弹性引起的复杂湍流现象,而牛顿流体此条件下则处于层流流态。该现象表现出与牛顿流体惯性湍流相类似的一些特征,例如流动阻力增加、混合效率加强以及具有时间空... 详细信息

粘弹性流体弹性湍流现象是在极低雷诺数下(惯性效应可以忽略),完全由流体弹性引起的复杂湍流现象,而牛顿流体此条件下则处于层流流态。该现象表现出与牛顿流体惯性湍流相类似的一些特征,例如流动阻力增加、混合效率加强以及具有时间空间多尺度特性等。尽管如此,其还具有自身独特的特性,例如具有更快的衰减速率、时间上随机空间上光滑的特性等,而且,弹性湍流诱发机理与惯性湍流完全不同。为了更深刻地认识弹性湍流特性及其产生机理,本文基于几何结构比较简单的三维Kolmogorov流动分别模拟了牛顿流体惯性湍流以及粘弹性流体弹性湍流现象,根据该直接数值模拟数据分别研究了三维Kolmogorov流动中惯性湍流以及弹性湍流流场、涡结构、以及变形场特性,并在此基础上分析了弹性湍流产生机理。研究表明:(I)相对于二维流动,三维流动更不稳定,更容易诱发湍流现象;(II)当流动进入弹性湍流流态,统计上聚合物大分子结构拉伸剧烈,处于盘绕-拉伸转捩之后的状态,对流场具有显著的反馈作用;(III)与惯性湍流不同,在弹性湍流中脉动弹性应力通过速度脉动向各个尺度注入能量,抵消该尺度上粘性耗散以及计算耗散,维持各尺度上能量保持某一水平;(IV)与惯性湍流不同,在弹性湍流中涡结构主要产生于弹性应力幅值较大的地方,即由强剪切导致聚合物大分子结构被大幅度拉伸的位置,并且由于模拟中强剪切的区域比较窄,使得流动中涡结构的形状成扁平状;(V)弹性湍流发生时流动中弹性能远大于瞬时动能以及湍动能,流动充满弹性。附加外力做功提供整个系统粘性耗散、弹性耗散以及计算过程中引入人工粘性带来的数值耗散,使得流动中瞬时动能、弹性能、拟涡能以及变形能维持一定的水平;(VI)与惯性湍流不同,对于弹性湍流,其湍流脉动的主要来源为速度脉动与弹性应力脉动相互作用,涡管结构拉伸主要由聚合物变形(而非流场变形)与涡量相互作用引起,变形的生成以及不同尺度之间的能量级串主要由聚合物变形与流场变形相互作用(而非流场变形的自放大作用)引起。

关键词：粘弹性流体弹性湍流 Kolmogorov流动直接数值模拟

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考虑弹性湍流聚合物驱微观渗流机理研究

考虑弹性湍流聚合物驱微观渗流机理研究

作者：张伟东东北石油大学

学位级别：硕士

化学驱提高采收率方法中,聚合物驱占据着重要地位,在油田的工业化应用中取得了良好的效果。人们对层流流态下的聚合物驱微观渗流机理进行了大量的实验和理论研究,从实验和现场数据来看,聚合物的弹性效应可以提高驱替效率。近来,在微观... 详细信息

化学驱提高采收率方法中,聚合物驱占据着重要地位,在油田的工业化应用中取得了良好的效果。人们对层流流态下的聚合物驱微观渗流机理进行了大量的实验和理论研究,从实验和现场数据来看,聚合物的弹性效应可以提高驱替效率。近来,在微观驱油实验中发现低雷诺数(Re)、高威森博格数(We)的聚合物溶液在多孔介质中流动时能够诱发弹性湍流现象,进而降低残余油饱和度。但是目前对湍流流态下聚合物溶液的微观渗流机理的研究较少,尤其缺乏定量描述。因此,本文在层流流态下的粘弹性聚合物溶液微观渗流机理的研究基础上,基于计算流体力学方法(CFD)开展了考虑弹性湍流的粘弹性聚合物驱微观渗流机理研究。首先建立了考虑弹性湍流的聚合物溶液单相渗流数学模型,采用对数构象方法对数学模型进行变换,利用有限体积法对数学模型离散,形成了描述粘弹性聚合物溶液弹性湍流特征的数值计算方法,提高了代表聚合物溶液弹性的We值。深入研究了粘弹性聚合物溶液在盲端孔道和突扩-收缩孔道简化模型中的流动规律,从速度波动和湍流强度的变化特征,给出了弹性湍流发生的临界条件,从流线、速度等值线、应力和压力等角度研究了发生弹性湍流前后聚合物溶液在多孔介质内渗流规律的变化,进而揭示了弹性湍流对粘弹性聚合物溶液微观渗流特征及微观波及效率的影响。结果表明,在低Re条件下,高弹性聚合物溶液在多孔介质中发生弹性湍流的临界威森博格数We为50。弹性湍流改变了盲端和凸角内的涡流大小及涡心的位置,进而扩大聚合物溶液的微观波及面积。此外,弹性湍流增大了盲端和凸角内的偏应力,在死油区内压力等值线比较密集,形成了较高的附加压降,增大了进出口压差,为残余油的流动提供了动力来源。发生湍流前,微观波及效率随着Re的增大明显增加,发生湍流后,由于聚合物溶液的弹性效应主导占优,Re对微观波及效率影响很小。发生弹性湍流时,盲端孔道中的微观波及效率较We=0时提高了21%8%,突扩-收缩孔道中的微观波及效率较We=0时提高了8%6%,因此弹性湍流对提高多孔介质内残余油的微观波及效率具有较大的贡献。研究结果为油田聚合物驱油体系设计、筛选、注入工作制度的确定提供了重要的理论支持,同时拓展、丰富了粘弹性聚合物驱微观渗流机理。

关键词：粘弹性聚合物驱弹性湍流威森博格数微观波及效率渗流机理

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弹性湍流的数学建模与计算模拟

弹性湍流的数学建模与计算模拟

基于多熔体多次注射成型的弹性湍流构筑界面互锁结构

第十四届全国流变学学术会议

作者：袁学锋杨文婧 Alfredo Lanzaro 易勋广州大学智能制造工程研究院系统流变学研究所国防科技大学计算机学院高性能计算国家重点实验室

与牛顿流体完全不一样,半稀高分子溶液流过微流通道时通常表现出极其显著的非线性粘弹流体行为。这种非线性现象可以用弹性数和威森堡数或雷诺数来表征,还受到微流通道的几何特征的影响。本文将系统地报告相关本构关系建模、计算机模拟... 详细信息

与牛顿流体完全不一样,半稀高分子溶液流过微流通道时通常表现出极其显著的非线性粘弹流体行为。这种非线性现象可以用弹性数和威森堡数或雷诺数来表征,还受到微流通道的几何特征的影响。本文将系统地报告相关本构关系建模、计算机模拟的最新结果与实验结果的比较,从而加深弹性湍流机理的认识。

关键词：弹性湍流本构关系计算机模拟

来源： cnki会议评论

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中国塑料 2024年第12期38卷 81-89页

作者：肖元昊初立秋陈历波张师军赵鑫张浩吕芸刘磊张凯杨鸣波四川大学高分子科学与工程学院高分子材料工程国家重点实验室成都610065 中石化(北京)化工研究院有限公司北京100013

利用多熔体多次注射成型(M^(3)IM)对不相容体系聚偏氟乙烯(PVDF)和高密度聚乙烯(PE-HD)进行了多层次结构的制备及界面性能的研究。结果发现,两种不相容聚合物材料在M^(3)IM的特殊加工外场作用下形成了一种独特的界面互锁结构,使得界面... 详细信息

利用多熔体多次注射成型(M^(3)IM)对不相容体系聚偏氟乙烯(PVDF)和高密度聚乙烯(PE-HD)进行了多层次结构的制备及界面性能的研究。结果发现,两种不相容聚合物材料在M^(3)IM的特殊加工外场作用下形成了一种独特的界面互锁结构,使得界面剥离强度提升3.3倍。通过实验与数值模拟分析表明,这种界面互锁结构的形成是由于二次熔体注入一次熔体时在突破段产生的不稳定流动,以及聚合物熔体在低雷诺数下的弹性湍流所导致;厚度方向上的雷诺数呈双峰分布,且熔体界面处的增加可达1个数量级以上,突破后段相较于突破前段,熔体的湍流动能及动能耗散率显著增加。

关键词：多熔体多次注射成型界面互锁结构弹性湍流界面增强

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黏弹性聚合物驱渗流机理研究进展

力学学报 2024年第3期56卷 847-861页

作者：钟会影史博文毕永斌沈文霞许严芮尹洪军夏惠芬赵欣东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室黑龙江大庆163318 中国石油冀东油田公司南堡作业区河北唐山063200 中国石油大庆油田有限责任公司勘探开发研究院黑龙江大庆163414

聚合物驱已成为国内外化学驱中提高原油采收率主要方法之一,其在大庆油田的60年开发稳产中起到重要作用,在水驱基础上提高原油采收率达到约13%.聚合物驱主要机理为改善流度比,提高注入液的波及体积,从而提高驱油效率.近几年,聚合物溶液... 详细信息

聚合物驱已成为国内外化学驱中提高原油采收率主要方法之一,其在大庆油田的60年开发稳产中起到重要作用,在水驱基础上提高原油采收率达到约13%.聚合物驱主要机理为改善流度比,提高注入液的波及体积,从而提高驱油效率.近几年,聚合物溶液黏弹性能够进一步扩大其在多孔介质中的微观波及面积从而提高微观驱油效率的作用机理也逐渐被人们所认识.文章从聚合物溶液黏弹特性、聚合物驱微观可视化实验、岩心驱替实验及驱油机理理论研究4个方面进行了综合分析,对比论述了国内外关于黏弹性聚合物溶液渗流机理的研究现状、实验手段及方法,给出了聚合物溶液的黏弹性产生的法向应力能够进一步对水驱后残余油产生“拉”“拽”作用,从而使其比纯黏性流体进一步提高在多孔介质内的微观波及效率及驱油效率,明确了弹性湍流是产生表观增稠的本质,对提高驱油效率产生一定的正向影响.最后针对黏弹性聚合物驱渗流机理研究面临的问题及发展方向进行总结,弹性湍流产生的条件、黏弹性对不同尺寸孔隙内不同类型原油采收率的贡献及弹性与油藏润湿性的协同影响等机理成为未来研究的挑战与方向.论文的归纳能够为黏弹性聚合物溶液机理深入研究及矿场设计优选聚合物提供重要的参考.

关键词：黏弹性聚合物渗流机理松弛时间驱油效率弹性湍流

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纺丝条件下胀大比的预测和拉伸比的计算

合成纤维 1981年第6期 32-35页

作者：薛建贤周涵新孙桐华东纺织工学院

一引言在纺丝液出喷丝孔时的胀大现象,对纺丝过程的动力学起着决定性的作用。这一现象,可示意于图1。喷丝孔半径（R;）与液流最大胀大半径（R;）之比,称为胀大比（Ψ）。胀大比还可写为:Ψ=R;/R;=（V;/V;）;（1）式中:V;——最大胀... 详细信息

一引言在纺丝液出喷丝孔时的胀大现象,对纺丝过程的动力学起着决定性的作用。这一现象,可示意于图1。喷丝孔半径（R;）与液流最大胀大半径（R;）之比,称为胀大比（Ψ）。胀大比还可写为:Ψ=R;/R;=（V;/V;）;（1）式中:V;——最大胀大半径处液流速度因为喷头拉伸比I或表观喷头拉伸比I

关键词：喷头拉伸比大比纺速流动曲线原液喷丝头切变速率喷丝速度弹性湍流