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非牛顿流体管道流动方程及其近似解

哈尔滨工业大学学报 2020年第12期52卷 140-146页

作者：兰文涛吴爱祥北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 金属矿山高效开采与安全教育部重点试验室(北京科技大学) 北京100083

为准确计算非牛顿流体充填料浆在不同工况条件下的充填流量和沿程阻力并以之指导充填工程实践,对非牛顿流体充填料浆在管道内的流动行为进行了研究.首先根据流变学以及流体力学理论,对充填料浆在管道内的流动状态进行分析,确定了非牛顿... 详细信息

为准确计算非牛顿流体充填料浆在不同工况条件下的充填流量和沿程阻力并以之指导充填工程实践,对非牛顿流体充填料浆在管道内的流动行为进行了研究.首先根据流变学以及流体力学理论,对充填料浆在管道内的流动状态进行分析,确定了非牛顿流体管道输送的层流临界条件;然后推导出近似管道流量方程,大幅度的降低了计算量、简化了计算过程;最后根据所构建的非牛顿流体管道流量方程组和近似管道流量方程组,以铜矿选厂全尾砂和325普通硅酸盐水泥制备了固体质量分数为71%、水泥掺量为11%的非牛顿流体充填料浆进行了环管试验,并分别以精确解法和近似解法对其屈服应力τB、稠度系数K和幂率指数n进行了计算.研究结果表明:试验料浆在管道半径R为0.75 m、管道总长L为26 m及压差ΔP分别152376、132219、109576 Pa时,流量Q分别为119.6、73.1、24.3 m 3/h;基于试验结果以精确解法所求解的τB为128.0983 Pa、K为0.4506、n为1.1097,以近似解法所求解的τB为138.9652 Pa、K为1.2444、n为0.9057;以方程可视化方法绘制的三维图像对比证明精确解法和近似解法所求得的管道流量数值大小基本一致,且有相似的变化规律,证明了近似管道流量方程的准确性;因此,非牛顿流体管道流动方程及其近似解适用于非牛顿流体管道输送工程实践,是白金汉(Buckingham)流动方程和泊肃叶定律(Poiseuille law)的有力补充.

关键词：非牛顿流体幂率流体管道试验流动方程方程可视化

基于格子Boltzmann方法的非牛顿流体多孔介质流动的数值模拟研究

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基于格子Boltzmann方法的非牛顿流体多孔介质流动的数值模拟研究

作者：卓琦又华东理工大学

学位级别：硕士

多孔介质内的流体流动问题已然成为了研究热点领域,不过目前的研究大多是针对于牛顿流体。而涉及到非牛顿流体的行业越来越多,包括食品、石油、化学、塑料等广泛领域。所以其在多孔介质中的流动也有着普遍的工程应用背景,例如化工工程... 详细信息

多孔介质内的流体流动问题已然成为了研究热点领域,不过目前的研究大多是针对于牛顿流体。而涉及到非牛顿流体的行业越来越多,包括食品、石油、化学、塑料等广泛领域。所以其在多孔介质中的流动也有着普遍的工程应用背景,例如化工工程中填充塔的性能优化、地下水的净化、矿产资源的开采以及尾气排放净化等问题。研究非牛顿流体在多孔介质内的流动特性具有具有重要的工程实际意义。格子玻尔兹曼方法（Lattice Boltzmann method,LBM）作为一种介观分析方法具有众多优点,例如并行性能好、边界条件处理方便、计算效率高等。本文主要研究建立非牛顿流体多孔介质流动LBM的分析模型,并分析其流动规律。研究内容源自国家自然科学基金项目“基于格子Boltzmann方法多孔介质及两相流动的数值模拟研究”。首先基于渗流模型的LBM对在REV尺度多孔介质中的牛顿流体流动现象进行研究。该模型在演化方程中增加了一个作用力项,并且在平衡态分布函数和作用力项中引入了孔隙率,以此来体现多孔介质对流动的作用。通过计算机编程分别模拟了牛顿流体的平面Poiseuille流和充满多孔介质的等直流道中的流动,得到稳定后的速度场,将结果与解析解进行了比较,验证计算模型。在此基础上,探究了牛顿流体的流动规律,分析了多孔介质流动参数和介质参数对流动产生的影响。其次,研究了非牛顿流体在多孔介质中的流动。在模拟中使用了基于渗流模型的LBM模型,用于求解描述多孔介质流动的广义Navier-Stokes方程,本构方程使用幂律模型,采用局部法计算形变速率张量,由循环迭代计算松弛时间。最后通过编程模拟了幂率流体在充满多孔介质的等截面圆形直流道中的流动,将结果与宏观数值模拟结果进行了比较,表明结果具有较好的精度,并分别探究了雷诺数、孔隙率、幂律指数和Darcy数对于流动的影响。并建立了多孔介质对轴对称的流动格子Boltzmann模型,分析了雷诺数和空隙率对管道内多孔介质流动的影响。本文关于牛顿流体和幂律流体在多孔介质中流动的研究,不仅有助于研究工程中的多孔介质流动问题,同时也为其它本构模型非牛顿流体的多孔介质流提供了理论基础。

关键词：格子Boltzmann方法 REV尺度多孔介质幂率流体

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蒸汽吐吞稠油热采产量递减分析方法研究

石油化工高等学校学报 2022年第3期35卷 70-74页

作者：杨建平中国石油辽河油田高升采油厂辽宁盘锦124010

产量递减分析作为储层参数求取及单井控制储量计算的一种重要方法,已经在常规及非常规油气资源储层评价及动态储量计算方面得到了广泛应用。为了对蒸汽吐吞稠油藏进行产量递减分析,建立牛顿⁃幂率流体径向复合油藏不稳定渗流数学模型,求... 详细信息

产量递减分析作为储层参数求取及单井控制储量计算的一种重要方法,已经在常规及非常规油气资源储层评价及动态储量计算方面得到了广泛应用。为了对蒸汽吐吞稠油藏进行产量递减分析,建立牛顿⁃幂率流体径向复合油藏不稳定渗流数学模型,求解模型得到对应的NPI产量递减和Blasingame产量递减特征曲线。结果表明,该特征曲线分为四个流动阶段(牛顿流体径向流阶段、过渡流阶段、幂率流体径向流阶段和拟稳态流动阶段);幂率流体径向流阶段NPI积分导数曲线呈斜率为(1-n)/(3-n)的直线,幂率指数和流度比越大,幂率流体流动阶段曲线越高。通过该模型对辽河油田进行实测数据拟合解释,验证了该模型的准确性。

关键词：稠油热采产量递减幂率流体 NPI

非牛顿流体的轴对称格子Boltzmann模型建立及数值模拟

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非牛顿流体的轴对称格子Boltzmann模型建立及数值模拟

作者：尤文玉华东理工大学

学位级别：硕士

非牛顿流体的数值模拟在工程应用中极其关键,但其本构方程复杂,导致很多工程实际问题失去了获得理论解的可能,特别是对于三维流动问题。非牛顿流体流动的数值模拟取得很大进展,但仍然有很多挑战的问题存在,而采用跨尺度的格子Boltzmann... 详细信息

非牛顿流体的数值模拟在工程应用中极其关键,但其本构方程复杂,导致很多工程实际问题失去了获得理论解的可能,特别是对于三维流动问题。非牛顿流体流动的数值模拟取得很大进展,但仍然有很多挑战的问题存在,而采用跨尺度的格子Boltzmann方法(The lattice Boltzmann method,LBM)模拟为解决这些难题提供了新的思路。建立格子Boltzmann方法的轴对称模型来模拟流体的轴对称流动也是一个重要研究领域。本文主要研究建立非牛顿流体的轴对称格子Boltzmann模型,并对几种典型轴对称流动形式进行数值模拟以此验证模型正确性。首先针对广义牛顿流体中的幂率流,建立了一种新的轴对称格子Boltzmann模型。此模型通过在演化方程引入一个作用力项作为方程的附加项,使得方程能够通过Chapman-Enskog变换还原出柱坐标下Navier-Stokes方程。首先对等截面圆形直管流和环状流进行了模拟,并将速度场的数值解与解析解进行比较,发现二者相一致。然后对非牛顿流体收敛流动这一基准问题进行了模拟,得到的速度场和旋涡大小与有限元的结果十分吻合,验证了模型的准确性。对于粘弹性流体,利用所建立的含外力项的轴对称格子Boltzmann模型,采用双分布函数对N-S方程和Oldroyd-B本构方程进行求解,通过对流扩散方程的格子Boltzmann模型求解本构方程得到反映弹性效应的弹性应力张量,再将该应力张量引入到N-S方程中,进行迭代求解。首先模拟了粘弹流体在直圆管中的流动,得到流道内的流动分布情况,结果显示LBM数值解和理论解之间的误差非常小,进一步验证了本文模型的正确性。接着探究粘弹流体在圆管收敛流道中的流动现象,分析了流体入口最大速度、粘度和Weissenberg数(Wi)对涡旋的影响。本文建立的轴对称格子Boltzmann模型对工程中非牛顿流体的轴对称流动研究有着重要的意义,也为其它类型流体的轴对称流动提供了理论基础。

关键词：格子Boltzmann方法轴对称幂率流体粘弹流体收敛流

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三水-一水软铝石型铝土矿原矿浆流变性研究

矿冶工程 2013年第5期33卷 101-105页

作者：齐利娟顾松青尹中林中国铝业股份有限公司郑州研究院郑州河南450041 中国铝业公司科技部北京100082

以难处理三水-一水软铝石型高硅铝土矿为研究对象,采用Thermo公司生产的RS600型流变仪,研究了温度、固含、碱浓度以及粒度等因素对此类铝土矿原矿浆流变性的影响。结果表明:原矿浆的流变性随温度、固含、苛性碱浓度的升高及矿石粒度的... 详细信息

以难处理三水-一水软铝石型高硅铝土矿为研究对象,采用Thermo公司生产的RS600型流变仪,研究了温度、固含、碱浓度以及粒度等因素对此类铝土矿原矿浆流变性的影响。结果表明:原矿浆的流变性随温度、固含、苛性碱浓度的升高及矿石粒度的细化而恶化;当固含低于1 050 g/L时,原矿浆为宾汉姆流体,当固含高于1 050 g/L时,转化为幂率流体,原矿浆屈服应力急剧升高;当苛性碱浓度低于180 g/L时,原矿浆为宾汉姆流体,苛性碱浓度高于180 g/L时,逐渐转化为幂率流体;相同固含条件下,-180μm原矿浆的屈服应力约是-850μm原矿浆的3倍。从便于输送、降低能耗的角度考虑,原矿浆制备的温度不应太高,固含应低于1150 g/L,苛性碱浓度最好低于180 g/L。

关键词：三水-一水软铝石原矿浆流变性宾汉姆流体幂率流体

基于格子Boltzmann方法的非牛顿流体以及两相流的研究

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基于格子Boltzmann方法的非牛顿流体以及两相流的研究

作者：吴天华东理工大学

学位级别：硕士

格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann method, LBM)是一种介观模型,它的演化过程简单清晰,易于实现,还具有计算高效、天然的并行性等优点,这些优势使其成为处理复杂流动的有力工具。格子玻尔兹曼方法在非牛顿流体、多相流、湍流、大涡... 详细信息

格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann method, LBM)是一种介观模型,它的演化过程简单清晰,易于实现,还具有计算高效、天然的并行性等优点,这些优势使其成为处理复杂流动的有力工具。格子玻尔兹曼方法在非牛顿流体、多相流、湍流、大涡模拟、微尺度流动等领域都有着非常广泛应用。同时由于非牛顿流体和多相流的流动行为与工业生产密切相关,因此深入研究非牛顿流体和多相流流动有着重要意义。首先基于LBM方法和幂律流体本构方程,建立二维平板流。对比完全发散的速度截面分布的模拟值和理论值,吻合良好,从而验证了格子波尔兹曼方法的可行性。对圆柱绕流进行模拟,分别探究了幂率流体的幂率指数和雷诺数,与阻力系数的关系。然后建立了椭圆柱绕流模型,分别分析了椭圆横轴／纵轴长度比和幂律指数,对压力系数和粘度系数的影响。得到的变化规律与有限元方法规律一致,验证了LBM模型的正确性。接着使用Shan-Chen模型模拟了两组分两相的方腔流问题,分析了雷诺数对于混合速度的影响,发现Re越大,混合速度越快。

关键词：格子波尔兹曼方法幂率流体圆柱绕流 Shan-Chen模型

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液相介质对水平气液间歇流动压降的影响

过程工程学报 2006年第2期6卷 161-166页

作者：许晶禹吴应湘李东晖中国科学院力学研究所工程科学研究部北京100080

研究了水平管内不同液相介质（水、油和不同浓度的CMC溶液）对气液两相间歇流动压降的影响.实验管道为内径50mm的透明有机玻璃管,从入口到分离器长约30 m,实验段由2个长3 m的水平管组成.共记录了320组不同表观流速下的压降信号：油相0.1... 详细信息

研究了水平管内不同液相介质（水、油和不同浓度的CMC溶液）对气液两相间歇流动压降的影响.实验管道为内径50mm的透明有机玻璃管,从入口到分离器长约30 m,实验段由2个长3 m的水平管组成.共记录了320组不同表观流速下的压降信号：油相0.17～1.85 m/s,水相0.17～2.48 m/s,CMC溶液0.17～1.42 m/s,气相0.06～3.40 m/s.结果表明,液相为牛顿流体（油或水）的气液流动,随着表观气相流速的增大,压降呈增加趋势;非牛顿幂率流体（不同浓度的CMC溶液）的管道流动,当流动指数低于一定值时,压降随气相流量的增加呈降低趋势,并且低于单液相流动的压降.Lockhart-Martinelli模型过高地预测了气-非牛顿幂率流体两相的压降.

关键词：气液间歇流动幂率流体压降 Lockhart-Martinelli模型

幂律流体边界层方程的近似解析解和壁摩擦因数的近似值

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应用数学和力学 2008年第9期29卷 1101-1106页

作者：苏晓红郑连存蒋锋华北电力大学数理系河北保定071003 北京科技大学数力系北京100083

对幂率流体层流平板边界层的解析解进行了研究.对该问题提供了Adomian分解方法并且推导出了问题的级数形式的近似解析解,该近似解析解具有快速收敛性和易于计算性.对不同的幂率给出了方程的近似解析解和相应的壁摩擦因数近似值,最后对... 详细信息

对幂率流体层流平板边界层的解析解进行了研究.对该问题提供了Adomian分解方法并且推导出了问题的级数形式的近似解析解,该近似解析解具有快速收敛性和易于计算性.对不同的幂率给出了方程的近似解析解和相应的壁摩擦因数近似值,最后对近似解所推出结果和所得壁摩擦因数与文献中的数值解进行了比较验证,证实了该文提出的解析近似方法的准确性和可靠性,说明了该近似解能够应用于提供所研究问题的壁摩擦因数.

关键词：幂率流体非线性边值问题解析拆分法

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带有抽吸喷注的幂律流体边界层方程的近似解

河北大学学报（自然科学版） 2010年第3期30卷 235-238,246页

作者：苏晓红郑连存北京科技大学机械工程学院北京100083 华北电力大学数理学院河北保定071003 北京科技大学应用科学学院北京100083

对求解带有抽吸/喷注的幂率流体平板边界层的相似解方程进行了研究,利用Adomian分解方法得到了在不同的幂率下方程的近似解析解和相应的壁摩擦因数值,并通过对近似解所推出结果以及所得壁摩擦因数进行的验证,证实了本文提出的解析近似... 详细信息

对求解带有抽吸/喷注的幂率流体平板边界层的相似解方程进行了研究,利用Adomian分解方法得到了在不同的幂率下方程的近似解析解和相应的壁摩擦因数值,并通过对近似解所推出结果以及所得壁摩擦因数进行的验证,证实了本文提出的解析近似方法的准确性和可靠性.

关键词：幂率流体非线性解析拆分法近似解析解