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储气库注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹力学分析

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塑性工程学报 2024年第6期31卷 208-216页

作者：张强张罡郭爽赵栋吕磊东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163318

采用有限元方法,研究了注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹的应力强度因子K_(Ι)和J积分。首先,由于储气库注采管柱是长直圆管结构,通过建立含外表面裂纹直管的有限元模型,对其进行有限元验证。然后,基于子模型法,建立了管柱屈曲后裂纹力学... 详细信息

采用有限元方法,研究了注采管柱屈曲后表面半椭圆裂纹的应力强度因子K_(Ι)和J积分。首先,由于储气库注采管柱是长直圆管结构,通过建立含外表面裂纹直管的有限元模型,对其进行有限元验证。然后,基于子模型法,建立了管柱屈曲后裂纹力学计算模型,计算了屈曲后不同裂纹形状参数、裂纹相对深度和轴线夹角下的应力强度因子K_(Ι)和J积分,分析了管柱不同螺距数对K_(Ι)和J积分的影响规律。结果表明,有限元法在计算应力强度因子时精度较高,造成有限元法误差明显的主要因素是网格尺寸和裂纹前缘网格划分份数;管柱螺旋屈曲后,K_(Ι)和J积分随裂纹形状参数的增加而减小,随裂纹相对深度的增加而增大;随着注采管柱屈曲螺距数以及轴线夹角的增加,K_(Ι)和J积分均呈增长趋势,且裂纹为周向裂纹时的增长速率最大。

关键词：有限元注采管柱裂纹螺旋屈曲应力强度因子 J积分

Cu(110)晶面催化还原CO_(2)制备甲酸机理的第一性原理研究

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功能材料 2024年第4期55卷 4102-4110页

作者：张旭昀汤静常庆王勇谭秀娟东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163000

铜基催化剂是一种高效还原CO_(2)为甲酸的绿色催化剂,明确不同晶面的还原机理对催化剂的设计及开发具有重要指导意义,但Cu(110)晶面的催化机理尚不明确。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Cu(110)表面的还原机理进行了研究,系统... 详细信息

铜基催化剂是一种高效还原CO_(2)为甲酸的绿色催化剂,明确不同晶面的还原机理对催化剂的设计及开发具有重要指导意义,但Cu(110)晶面的催化机理尚不明确。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对Cu(110)表面的还原机理进行了研究,系统研究了不同中间产物的吸附相关性质并探讨了相关的吸附机理。吸附能结果表明,CO_(2)在Cu(110)表面无法发生化学吸附,而^(*)COOH、^(*)HCOO、HCOOH分子和H原子的最稳定吸附位点分别为长桥位点、短桥位点、顶位点和HCP位点。布居数结果表明,^(*)HCOO和HCOOH分子在吸附过程中与Cu(110)表面的Cu原子形成离子键,H原子和Cu原子之间存在氢键作用,^(*)COOH分子中的C和Cu原子形成共价键。此外,电子态密度结果表明^(*)HCOO基团和Cu原子之间形成O—Cu键,^(*)COOH基团中的C和Cu原子形成C—Cu键,HCOOH分子中的O和Cu原子形成O—Cu键。相比于^(*)COOH/Cu(110)体系,^(*)HCOO/Cu(110)吸附体系的电荷密度、电荷转移量和成键能力均较强,说明CO_(2)在Cu(110)还原过程中中间体^(*)HCOO更稳定,合成路径属于更加高效的:CO_(2)→^(*)HCOO→HCOOH路径。

关键词：电催化二氧化碳还原甲酸第一性原理铜基催化剂

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弯管内可控万向铰接柔性管动力学特性研究

振动与冲击 2024年第5期43卷 173-181页

作者：林志强罗敏王晶徐亭亭李巧珍东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163318 东北石油大学数学与统计学院黑龙江大庆163318

针对弯管内可控万向铰接柔性管随机动态接触问题,以弯管和可控铰接柔性管为研究对象,采用哈密顿原理结合多体系统动力学理论,引入刚体运动坐标系描述可控铰的运动约束,以管-管接触模型描述可控万向铰接管和弯管的动态接触,建立了弯管内... 详细信息

针对弯管内可控万向铰接柔性管随机动态接触问题,以弯管和可控铰接柔性管为研究对象,采用哈密顿原理结合多体系统动力学理论,引入刚体运动坐标系描述可控铰的运动约束,以管-管接触模型描述可控万向铰接管和弯管的动态接触,建立了弯管内可控万向铰接柔性管多体系统接触非线性动力学的数值计算方法。以超短半径水平井造斜段柔性钻具为例,根据贝克休斯公司的钻具动力学特性标准,对柔性钻杆的振动特性进行了评价,研究了不同转速和不同钻压对柔性钻杆动力学特性的影响。研究结果表明:横向振动是导致柔性钻具可能失效的主要因素;柔性钻杆的横向振动剧烈程度随着转速的增加而减小,随着钻压的增加而增大。

关键词：柔性管哈密顿原理多体系统动力学可控万向铰动态接触

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静置工况条件下掺氢天然气浓度分布规律

天然气工业 2024年第2期44卷 145-155页

作者：李敬法宇波苏越刘翠伟李玉星北京石油化工学院机械工程学院中国石油大学(北京)机械与储运工程学院中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院

利用天然气管道进行掺氢输送已成为氢能及天然气输送领域的热点和重点,但当前业界对于掺氢天然气在管道输送和停输静置过程中是否会自发分层一直存在较大争议。为了厘清该问题,以掺氢天然气在管道中静置这一极端工况为例,基于热力学能... 详细信息

利用天然气管道进行掺氢输送已成为氢能及天然气输送领域的热点和重点,但当前业界对于掺氢天然气在管道输送和停输静置过程中是否会自发分层一直存在较大争议。为了厘清该问题,以掺氢天然气在管道中静置这一极端工况为例,基于热力学能量最小原理,推导了在重力场作用下掺氢天然气浓度分布数学模型,并采用Peng-Robinson真实气体状态方程对该数学模型进行了求解,最后研究了甲烷—氢气二元组分混合气体在4种典型场景高度和5种掺氢比下氢浓度随高度的分布规律。研究结果表明:(1)在重力影响下管道顶部和底部的氢浓度存在差异,但其受高度差的影响显著,对于米级的水平管道、几十米级的一般城镇楼宇天然气立管、百米级的高层楼宇天然气立管,氢浓度随高度变化的差异微小,可完全忽略氢分层;(2)对于千米级大落差的掺氢天然气管道,当掺氢比不超过20%时,氢分层仍可忽略,但当掺氢比很高时(例如50%)管道顶部和底部的氢浓度差将超过1%,此时需考虑工程实际情况评估能否忽略氢分层;(3)西气东输某管道考虑真实气体组成、掺氢比20%、管道落差200 m时,各气体组分的浓度随落差高度的分布规律揭示了在实际工程中此类落差高度的掺氢天然气氢分层可忽略。结论认为,对于掺混均匀的掺氢天然气在静置这种最容易发生分层的极端工况下,如果不存在千米级极端大落差和极端大掺氢比,掺氢天然气管道分层现象可完全忽略;该认识从理论上厘清了目前关于掺氢天然气分层现象的争议,对掺氢天然气管道安全输送具有重要指导意义。

关键词：掺氢天然气氢分层掺氢比能量最小原理静置工况

钻井液流变性对转盘钻井钻柱耦合振动抑制的参数影响研究

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机械工程学报 2024年第5期60卷 183-195页

作者：陈益丽柳军梁爽西南石油大学机电工程学院成都610500 成都大学机械工程学院成都610106

当钻头钻进时,环空内的钻井液因混合大量岩屑会表现出较强的非牛顿流变性,对钻柱振动行为产生较大影响。采用Hamilton变分原理建立了转盘钻井钻柱纵-横-扭耦合(Axial-lateral-torsional coupling,ALTC)非线性动力学模型,模型充分考虑了... 详细信息

当钻头钻进时,环空内的钻井液因混合大量岩屑会表现出较强的非牛顿流变性,对钻柱振动行为产生较大影响。采用Hamilton变分原理建立了转盘钻井钻柱纵-横-扭耦合(Axial-lateral-torsional coupling,ALTC)非线性动力学模型,模型充分考虑了钻柱结构阻尼、钻井液非牛顿流变阻尼、钻头-岩石互作用及钻柱-井壁接触等因素的影响。提出一种瑞利阻尼矩阵计算方法,采用纵、横、扭、纵-横、横-扭、纵-扭阻尼矩阵联合求得纵-横-扭耦合阻尼矩阵,实现了在钻柱ALTC振动阻尼中考虑钻井液的影响。采用有限元法结合Newmark-β法实现了系统非线性振动模型的离散及求解,并借助现场实测数据验证了模型的有效性。利用模型探究了钻井液流变参数对钻柱ALTC振动响应的影响机理,结果表明:较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τ_(Hy)=7,k=5),及较小的幂律指数(n=0.2)可更好地抑制钻柱系统纵向振动,降低跳钻风险;较大的钻井液屈服应力和稠度系数(τ_(Hy)=7,k=5),幂律指数n=0.8可更好地抑制钻柱系统横向振动,保持井眼直径;较大的稠度系数和幂律指数(k=5,n≥0.8)可更好抑制钻柱系统粘滑振动,提高机械钻速。研究结果可为优化钻柱及钻井液参数,降低钻柱有害振动,提高钻井效率提供理论支撑。

关键词：转盘钻井钻柱振动耦合振动钻井液流变性粘滑振动

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液滴撞击单丝铺展特性的数值研究

化工学报 2024年第6期75卷 2233-2242页

作者：黄斌丰生杰傅程张威重庆科技大学石油与天然气工程学院重庆401331 东北石油大学石油工程学院黑龙江大庆163318

液滴撞击单丝现象在石油与天然气处理过程中广泛存在,研究液滴撞击单丝的铺展特性对于提高化工设备的热质传递效率有重要意义。基于VOF方法建立液滴撞击单丝的数值模型,系统研究了初始速度、初始直径、撞击偏心距、撞击角度对液滴铺展... 详细信息

液滴撞击单丝现象在石油与天然气处理过程中广泛存在,研究液滴撞击单丝的铺展特性对于提高化工设备的热质传递效率有重要意义。基于VOF方法建立液滴撞击单丝的数值模型,系统研究了初始速度、初始直径、撞击偏心距、撞击角度对液滴铺展因子的影响。结果表明,增加初始速度能加快铺展因子增长速率并延长其最大铺展因子的保持时间。减小液滴的初始直径显示出更高的铺展因子;缩短撞击偏心距有助于液滴的更充分铺展,控制在0.2R以内时铺展效果最佳;减小撞击角度也可促进液滴更充分地铺展,其中铺展因子曲线在不同撞击角度下存在一个铺展转换点。此外液膜中心与两侧压差驱动液滴快速铺展,直至达到最大铺展长度后停止。研究结果可为含有丝网填料的化工设备的优化设计提供理论参考。

关键词：液滴碰撞铺展因子铺展机制数值模拟

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Ra数对停输管道原油相变特征的影响研究

工程热物理学报 2024年第4期45卷 1055-1061页

作者：刘晓燕周正李从范玉泽张楠迪徐颖李晓庆东北石油大学机械科学与工程学院大庆163318 中国石油塔里木油田分公司库尔勒841000 常熟理工学院常熟215506

本文探究了Ra数对停输原油相变特征的影响,为管道停输时间控制提供参考依据。建立了基于焓法的原油相变传热数学模型,将固液模糊区处理为两相流区,利用格子Boltzmann方法求解原油相变传热控制方程组。将原油相变传热过程分为三个不同阶... 详细信息

本文探究了Ra数对停输原油相变特征的影响,为管道停输时间控制提供参考依据。建立了基于焓法的原油相变传热数学模型,将固液模糊区处理为两相流区,利用格子Boltzmann方法求解原油相变传热控制方程组。将原油相变传热过程分为三个不同阶段。发现Ra数对流场的影响会随时间不断减弱,对于凝油层的影响不断增强导致液相率场产生明显的形态变化。在换热第一阶段提高Ra数会使原油下沉速度的增长幅度远大于原油上升速度的增长幅度。

关键词：相变流动原油数值研究格子Boltzmann方法 Ra数

海流作用下坠物沉降及撞击海底管道数值模拟研究

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安全与环境学报 2024年第4期24卷 1371-1380页

作者：杨明刘巨保丁宇奇黄茜靳翔东北石油大学机械科学与工程学院黑龙江大庆163318

采用基于浸入边界有限元法的流固耦合数值模拟方法,对海流作用下坠物撞击海底管道完整过程进行了数值模拟研究。数值结果表明:在自由沉降时,坠物的流向速度与海流速度基本一致,不同海流速度下相同质量的坠物垂向速度基本一致,但在较低... 详细信息

采用基于浸入边界有限元法的流固耦合数值模拟方法,对海流作用下坠物撞击海底管道完整过程进行了数值模拟研究。数值结果表明:在自由沉降时,坠物的流向速度与海流速度基本一致,不同海流速度下相同质量的坠物垂向速度基本一致,但在较低的坠物质量和海流速度下会出现冲跃现象,球形坠物的垂向阻力系数比立方形坠物小,并且阻力系数随坠物质量的变化而变化,坠物沉降角度随海流速度的增加而增大;在坠物接近海底管道时,流向速度逐渐减小,垂向速度均为先增大后减小,立方形坠物减小程度要比球形坠物大,质量大的坠物垂向速度减小的程度也要比质量小的大;在坠物撞击管道时,球形坠物撞击速度比立方形大,撞击速度比自由沉降速度大,撞击角度比自由沉降角度小,最大应力和凹痕均比无海流作用时小,球形坠物应力减小幅度为4.44%~16.71%,立方形坠物应力减小幅度为9.29%~12.14%,球形坠物凹痕减小幅度为4.17%~30.58%,立方形坠物凹痕减小幅度为10.41%~14.44%。

关键词：安全工程海底管道撞击流固耦合浸入边界有限元法数值模拟

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沉积管两相流动的大涡模拟研究

工程热物理学报 2024年第5期45卷 1411-1417页

作者：姚军刘敏赵彦琳中国石油大学(北京)机械与储运工程学院北京102249

使用大涡模拟和拉格朗日颗粒跟踪方法模拟了带有水平床层的圆管(沉积管)中的流场和颗粒分布,体积雷诺数为40000,颗粒直径为5μm,50μm(St=0.6,63)。结果发现,管道的角落诱导出四个流向涡,流体从中心流向角落。和矩形二次流相似的是,他... 详细信息

使用大涡模拟和拉格朗日颗粒跟踪方法模拟了带有水平床层的圆管(沉积管)中的流场和颗粒分布,体积雷诺数为40000,颗粒直径为5μm,50μm(St=0.6,63)。结果发现,管道的角落诱导出四个流向涡,流体从中心流向角落。和矩形二次流相似的是,他们对应的流向涡量模式的延伸程度比较接近。管壁附近的颗粒受到的平均升力指向壁面,且管道下部壁面附近的颗粒受到的平均升力更大。管道两侧壁面附近的颗粒受到的平均曳力指向中心。

关键词：沉积管湍流大涡模拟颗粒