螺旋侧板对立管水动力影响的数值模拟研究

针对附有三板式螺旋侧板的立管水动力影响问题展开三维数值模拟研究,采用CFD大涡模拟方法,对不同的螺旋侧板高度h和螺距P在雷诺数分别为3 900,10 000和20 000条件下进行模拟分析,得到立管后方阻力系数CD、升力系数CrmsL、斯特劳哈尔数St及其频谱等特性。模拟结果表明:螺旋侧板对立管升力和阻力有明显的抑制效果,升力系数均方根值CrmsL较光滑立管降幅最大达到95.8%,但随着螺旋高度h的增加,会引起立管的阻力增加,螺旋高度h为0.1D～0.2D（D为立管直径）时的抑制效果较好,并且h为0.1D时的抑制效果最为理想;CD值和CrmsL值均随螺距P的增大而增大并保持在较低值范围,两者均在P=12.5D附近出现了随螺距P的增大而减小的现象,侧板螺距P在取值为5D～17.5D范围内的选择对立管的升力和阻力抑制效果较好。     

不同雷诺数下隔水管绕流模型仿真

为了研究深海钻井过程中不同海况下海流对隔水管振动情况的影响,利用COMSOL软件,建立了圆柱绕流二维仿真模型,对刚性圆柱展开绕流仿真,研究了不同雷诺数(2.5×104Re4.0×105)下隔水管绕流的漩涡脱落形态、升力系数和阻力系数、涡泄频率,斯特哈尔数(Strouhal)的变化规律。结果表明,随雷诺数增大,升、阻力系数减小,涡泄频率增大且近似呈线性关系,斯特哈尔数(Strouhal)在亚临界流区域及亚临界流向临界流过渡区域内基本不变。仿真结果与相关文献及经验值吻合良好,验证了仿真方法对隔水管振动研究的适用性。     

自然通风房间内细水雾与油池火作用的数值模拟

采用大涡模拟、混合物分数燃烧模型和欧拉-拉格朗日粒子运动描述法,对自然通风房间内细水雾与油池火焰作用过程进行数值模拟;探讨细水雾在火羽流的不同区域内的灭火机理;分析雾滴直径在自然通风条件下对细水雾灭火效果的影响。模拟结果表明:细水雾冷却热烟气层分为温度迅速降低和缓慢下降两个阶段;在间歇火焰区和浮力羽流区以及热烟气层主要发挥细水雾的蒸发冷却作用,在恒定火焰区则是蒸发冷却和隔氧窒息共同作用;着火区域封闭性较差时,直径较小的水雾系统的灭火效果较低。     

弯管与盲通管冲蚀磨损对比分析研究

为了研究石油管道流向急剧改变处的冲蚀磨损问题,采用DPM模型,通过改变入口流速、颗粒质量流速、颗粒直径,对90°弯管与盲通管的流场分布及冲蚀情况进行数值模拟。结果表明:弯管与盲通管最大冲蚀速率随入口流速的增大呈指数增长,随颗粒质量流速的增大呈线性增长;在50~100 μm粒径范围内,最大冲蚀速率随粒径的增加逐渐减小,在100~300 μm粒径范围内,随粒径的增加而增大;在入口流速、颗粒质量流速、颗粒直径相同的条件下,弯管最大冲蚀速率明显高于盲通管最大冲蚀速率,盲通管的耐蚀性更强;由于流体在盲通管产生涡旋现象,增加了颗粒能量的耗散,从而减小了进入下游管线颗粒的速率,使得颗粒更易积存于盲通段形成堆积层,减小了下游管段冲蚀速率。     

动力扰动作用下充填体的力学响应研究

稳定的充填体是二步骤矿房回采的安全保障。在采矿动力作用下实现充填体的稳定性预测,是二步开采的安全控制关键。为了研究不同扰动幅值下充填体的动力响应规律,以某矿山工程为研究对象,采用Midas/GTS与FLAC3D数值模拟技术,建立了充填体动力稳定性分析的三维数值模型并进行了数值模拟分析。研究结果表明:动力扰动作用下,充填体暴露面的破坏区域由四周逐渐向中心扩展,并随着动力扰动幅值的增加,充填体暴露面破坏区域逐渐增大直至贯通破坏;充填体暴露面质点峰值振动速度随着动力扰动峰值的增加而增加,并得出了适用于该矿充填体暴露面振动峰值速度与动力扰动幅值之间的函数关系。距动力加载面越远,充填体内部质点峰值振动速度越小,且距动力加载面0~12 m处,质点峰值振动速度衰减较慢,从12~20 m质点峰值振动速度下降趋势最为明显。     

低渗煤层高压水射流割缝强化瓦斯抽采技术研究

为了解决低渗高突煤层瓦斯治理工程量大、效率低难题,提出在煤层中利用高压水射流切割缝槽依靠煤岩自身重力自动卸压强化瓦斯抽采技术。为了确定超高压水射流割缝工艺参数,采用FLAC3D数值模拟方法分析了不同缝槽间距、宽度条件下缝槽周围煤体塑性破坏特征和应力演化规律,得出高压水射流割缝合理缝槽间距为3 m,合理缝槽宽度为100 mm,现场实践表明:高压水射流割缝增大了煤层暴露面积、煤体扰动体积,高负压抽采支管瓦斯流量和浓度显著提升,瓦斯抽采纯量在0.7~1.1 m3/min范围内波动,瓦斯浓度在50%以上,对该矿其他工作面瓦斯治理具有一定借鉴意义。     

大断面高铁隧道掘进爆破振动传播规律研究*

为研究隧道爆破掘进振动规律并合理控制爆破振动危害,对京张高铁大断面南口隧道爆破掘进过程进行实时监测,并对监测结果进行线性回归分析,求得3个监测方向的场地系数K和衰减系数α值以及爆破振动峰值速度衰减回归方程,通过FFT法计算出主振频率和爆破振动波的振动频率范围,利用ANSYS/LS-DYNA对爆破工程进行数值模拟。结果表明:喷锚支护和监测方向对爆破振动衰减回归分析影响较大;主振频率和爆破振动波的振动频率分布范围为50~300 Hz,无需考虑周边建筑共振情况,与周边古建筑和临近隧道的最小安全距离分别为147 m和12 m;数值模拟与实际结果对比发现二者振动峰值略有差别但整体趋势基本相同,证明建立模型的有效性。     

庚烷池火多火源燃烧特性的实验研究

多火源燃烧是森林火灾和城市群发性火灾中重要而又特殊的火灾现象,相关研究很少。通过恒定控制液面高度的实验系统,对直径0.1m、0.2m和0.4m的庚烷池火在单个火源、两火源燃烧和三火源线性排列时的火焰高度、火焰体积和燃烧速率等特性进行了实验研究。研究发现,三火源燃烧时中间火源的火焰高度、火焰体积和燃烧速率明显高于两火源燃烧和单火源燃烧,三火源燃烧时边上火源与两火源的燃烧状况难以区分。这些燃烧特性随着火源间距的减小,呈现增大趋势。热量反馈增强和空气卷吸受限这两种火源相互作用机制相互耦合,且随着火源间距的减小而增强,在S/D（S为火源间距,D为油池直径）为2～4时,两种机制强烈竞争,在其他参数范围内热量反馈增强效应占主导作用。研究还发现火焰体积与热释放速率有较好的线性相关关系,单位火焰体积的热释放速率约为1614kW/m3。     

浅埋隧道爆破施工对地表建筑物安 全的 试验和数值分析

以沪昆高铁黄鹤堡隧道工程为研究对象,针对地表建筑物受大跨度浅埋隧道爆破开挖震动影响的情况,采用预裂爆破技术保护地表建筑 物的安全。结合爆破震动监测,并利用FLAC3D进行隧道爆破开挖数值模拟,对隧道地表沉降及建筑物所处位置的质点振动速度进行分析,通过 与现场实测数据进行对比发现:采用预裂爆破技术能够显著降低隧道地表质点最大振速,有效保护地表建筑物安全;隧道围岩等级越高,隧道 地表沉降值越小,地表建筑物越安全;数值模拟监测点质点振动速度与现场实测的质点振动速度变化规律基本一致,振动时间少于1s,水平方 向最大振速约为1.5 cm/s,垂直方向最大振速为1.6~1.7 cm/s,最大振速也比较接近。     

磁性油菜秸秆对阳离子染料的吸附研究

以油菜秸秆为原料,均苯四甲酸酐为改性剂,四氧化三铁为磁性包裹材料,制备了磁性油菜秸秆吸附剂。研究了染料初始浓度、初始p H值、无机盐离子等因素对吸附性能的影响。研究结果表明:室温时,在染料为自然p H值,吸附4 h后,改性吸附剂对亚甲基蓝和碱性品红吸附量分别为450、320 mg/g。p H在2~10范围内时,吸附量随着p H值的增大而增加;p H10之后,吸附量保持不变。高浓度盐的存在对吸附无明显影响,但K+要大于Na+的影响。改性吸附剂对两种染料吸附动力学模拟均符合准二级动力学方程,吸附等温式符合Langmuir模型。     

深水钻井隔水管紧急解脱失效动态风险分析

为了分析钻井隔水管紧急解脱失效动态风险,保证深水钻井隔水管紧急解脱安全运行,通过辨识隔水管紧急解脱相关风险因素,以及隔水管紧急解脱失效的潜在后果,采用模糊事故树和事件序列图相结合的方法,建立隔水管紧急解脱失效后果模型;基于映射准则,将模型转换成贝叶斯网络,进行深水钻井隔水管紧急解脱风险的定量分析;研究了紧急解脱动态失效概率和关键致因,并从钻井隔水管系统设计、钻井作业、紧急解脱测试和操作等方面提出预防措施,以降低紧急解脱失效概率;以南海8号钻井平台为研究对象进行案例分析。研究结果表明:1年内隔水管紧急解脱失效的概率区间为0.075 7至0.105 0;台风、不合理的解脱时刻、过提力不足、井口倾角大和内波是导致紧急解脱失效的主要原因;该模型评估结果与实际情况相符合,该方法可用于钻井隔水管紧急解脱失效风险评价。     

超深井径向钻孔钛合金管转向阻力计算及安全评估

为了解决塔河油田6 000 m及以上深井径向钻孔作业时管柱强度低、无法很好地传递钻压等问题,提出利用修井机和油管、钛合金管进行径向钻孔工艺,并通过数值模拟的方法优选有矫直段的单向弯曲转向轨道,研究轨道转向半径、钛合金管外径及壁厚、轨道与管柱间隙对钻进能力的影响,其次,通过正交试验方法,对上述参数进行敏感度分析并进行参数优选。结果表明:轨道转向半径及间隙与转向阻力呈反比关系,而钛合金管外径以及壁厚与其呈正比。因此,推荐钛合金管与转向器轨道的组合参数为:轨道转向半径为600 mm,转向角度为30°,钛合金管外径为25 mm,壁厚为2 mm,钛合金管与转向器轨道的间隙为4 mm。     

簧片式水喷雾灭火技术机理分析

簧片式水喷雾灭火技术具有压头。射程、雾滴和用水量的综合性能优势。本文作了簧片流体动力的理论分析，簧片振动雾化的相似准则分析，气雾柱的两相流径迹估算和气雾柱的灭火动力学估算。查明了作用在簧片上的升力，质量附加力和激振力，查明了影响雾滴大小的影响因素关系。查明了雾滴大小对灭火的影响等，为装置系列发展和优化设计途径提供了科学依据。     

深水隔水管系统安全作业窗口分析*

为分析深水隔水管系统在不同环境载荷下钻井平台允许的最大偏移量,确保整个钻井作业顺利完成并提高生产效率,建立隔水管-井口与土壤整体力学分析模型,提出1种以钻井平台向不同方向许可偏移距离确定安全作业窗口的分析方法,并结合实例分析表层海流速度及隔水管系统顶张力对隔水管系统安全作业窗口的影响。结果表明:当表层海流速度增大时,深水隔水管-井口与土壤整体系统安全作业窗口减小,不同模式间作业窗口的间距增大,且沿海流速度方向正常工作区间减小幅度远大于垂直海流速度方向,应尽早准备和启动隔水管系统底部脱离;当海流速度过大导致安全作业区间过小时,可通过提高隔水管系统的顶张力增大安全作业区间。     

海洋立管内流流动分析及疲劳寿命预测

涡激振动是立管发生疲劳破坏的关键因素之一。为了更加准确预测其疲劳寿命，基于Van Der Pol尾流振子模型，考虑内外流共同作用对立管的涡激振动影响及横向和顺流向的耦合作用，建立了立管涡激振动方程，用Hermit插值函数和Newmark-β法对方程求解，进一步采用P-M准则对立管疲劳寿命进行分析。并且通过设计试验对模型进行验证，最后研究管内流速对位移响应和疲劳寿命的影响。结果表明:立管振动位移随内流流速的增加而增加，造成立管疲劳寿命降低；通过增大顶张力可以有效消除内流的影响；立管两自由度涡激振动疲劳寿命大体相等，因此双向耦合作用在立管振动分析中应给予足够重视。     

强风中高速列车安全性研究

选用某国产动车1∶1模型,对高速列车在不同的侧风速度和风向角作用下运行进行模拟计算,得到列车所受气动力变化情况,研究气动力随风向角的变化机理。模拟结果表明,该车型在不同强度和不同风向角侧风作用下,侧向力、升力和倾覆力矩均随着侧风作用的增强而显著增大,在强侧风作用下,头车所受侧向力及倾覆力矩最大,较易发生倾覆事故;而尾车所受侧向力及倾覆力矩最小,相对安全。随风速和风向角的增大,受电弓和转向架对倾覆力矩的贡献均增大,在模拟时不可忽略;在风向角大于5°小于90°的范围内,列车各个部位的气动力与风向角呈3次方关系递增。     

超声波多普勒隔水管气侵监测系统设计与海上测试

为了研究超声波多普勒隔水管气侵监测测量原理的正确性和海上应用的可行性,开展了室内实验和现场试验。通过室内实验,得到了油基钻井液在不同含气情况下超声波多普勒信号与含气率之间的关系,验证了利用多普勒信号畸变进行气侵识别的有效性和适用性;通过开展陆上井现场试验,确定了隔水管气侵监测系统设计的关键参数,验证了超声波多普勒设备对大壁厚环空内部流动监测的可行性;设计并加工了隔水管气侵监测系统样机。通过在海上钻井过程中的实际应用,测试了监测系统的稳定性,得到了隔水管内部流动状态的监测信号,验证了隔水管气侵监测系统在海上现场应用的可行性。     

Flame acceleration in tube explosions with up to three flat-bar obstacles with variable obstacle separation distance

The effect of obstacle separation distance on the severity of gas explosions has received little methodical study. It was the aim of this work to investigate the influence of obstacle spacing of up to three flat-bar obstacles. The tests were performed using methane-air (10% by vol.), in an elongated vented cylindrical vessel 162 mm internal diameter with an overall length-to-diameter, L/D, of 27.7. The obstacles had either 2 or 4 flat-bars and presenting 20% blockage ratio to the flow path. The different number of flat-bars for the same blockage achieved a change of the obstacle scale which was also part of this investigation. The first two obstacles were kept at the established optimum spacing and only the spacing between the second and third obstacles was varied. The profiles of maximum flame speed and overpressure with separation distance were shown to agree with the cold flow turbulence profile determined in cold flows by other researchers. However, the present results showed that the maximum effect in explosions is experienced at 80 to 100 obstacle scales about 4 times further downstream than the position of maximum turbulence determined in the cold flow studies. Similar trends were observed for the flames speeds. In both cases the optimum spacing between the second and third obstacles corresponded to the same optimum spacing found for the first two obstacles demonstrating that the optimum separation distance does not change with number of obstacles. In planning the layout of new installations, the worst case separation distance needs to be avoided but incorporated when assessing the risk to existing set-ups. The results clearly demonstrate that high congestion in a given layout does not necessarily imply higher explosion severity as traditionally assumed. Less congested but optimally separated obstructions can lead to higher overpressures.