9_固液两相流动教案.ppt

1.1 固液两相流动研究概况 1.2 环空固液两相流动机理 1.4 岩屑运移稳定流动 1.3 临界沉降与最小返速 1.固液两相流动 固液两相流动广泛存在于自然界及能源、化工、石油、矿业、水利等各个领域。 尤其近年来，随着科学技术的发展，新材料、新技术、新工艺的出现，固液两相流理论的应用范围不断扩大，它在现代工业和科学技术各个领域中的重要性也越来越明显。 例如，固体颗粒的水力输运，泥沙在河流中的运移，化学工业中的搅拌、过滤等单元操作，湖泊、河流和海洋的污染，石油钻井中岩屑的运移，油层水力压裂工艺中支撑剂的运移等等，不胜枚举。 目前，国内外对于固液两相流的研究都极为重视，它已成为当今流体力学研究中最具挑战性的前沿领域之一。 1.1 固液两相流动研究概况 1.1 固液两相流动研究概况 固液两相流动广泛存在于自然界及能源、化工、石油、矿业、水利等各个领域。尤其近年来，随着科学技术的发展，新材料、新技术、新工艺的出现，固液两相流理论的应用范围不断扩大，它在现代工业和科学技术各个领域中的重要性也越来越明显。 例如，固体颗粒的水力输运，泥沙在河流中的运移，化学工业中的搅拌、过滤等单元操作，湖泊、河流和海洋的污染，石油钻井中岩屑的运移，油层水力压裂工艺中支撑剂的运移等等，不胜枚举。 目前，国内外对于固液两相流的研究都极为重视，它已成为当今流体力学研究中最具挑战性的前沿领域之一。 1.固液两相流研究背景 70年代 全面考虑颗粒对流体流动的影响、相间相对运动及相间作用。 双（多）流体模型 70年代 部分考虑了颗粒对流体流动的影响，不考虑相间相对运动。 单流体模型 60年代初 不考虑颗粒对流体运动影响，相间相对运动等价于流体的扩散漂移。 扩散模型 连续 介质 模型 70年代中 考虑颗粒对流动的影响，考虑了相间耦合，粗略地考虑了紊流扩散。 颗粒轨迹模型 40年代末 不考虑颗粒对流体的影响。 单颗粒动力学模型 离散 模型 大致年代 特点 模型 类别 1.1 固液两相流动研究概况 2.固液两相流分类 目前，固液两相流的研究仍然以实验为主，通过实验得到数据和规律，建立完全经验性的，或者半经验半理论性的模型，由于计算简便，误差又在许可范围之内，因此在工程中得到了广泛应用。 1.1 固液两相流动研究概况 3.固液两相流研究方法 1.2 环空固液两相流动机理 不同井段有着不同的岩屑运移机理。 在直井段，由于岩屑的重力下沉方向与钻井液轴向速度在同一直线上，原则上，只要钻井液平均上返速度大于岩屑的干扰沉降速度，岩屑就能被携带出井筒。 而在大斜度井段和水平井段，岩屑重力沉降方向与钻井液轴向速度不在一条直线上；在水平井段，二者方向正交，其合速度指向井眼下侧，因而极易在井壁下侧形成岩屑沉积床。 1.2.1 岩屑颗粒受力分析 1.2 环空固液两相流动机理 1.2.1 岩屑颗粒受力分析 1.2.2 岩屑颗粒运动形式 1.2 环空固液两相流动机理 岩屑所受各力的综合结果在群体上就表现为不同的运动形式： 接触质；跃移质；层移质；悬移质 其中接触质、跃移质和层移质又统称为推移质 1.2 环空固液两相流动机理 1. 推移质运动 岩屑床表面颗粒，当液流拖曳力大于颗粒阻力时，便开始以滑动与滚动形式运动，在运动中都与岩屑床保持接触，称为接触质运动。 在滚动过程中，上举力增加，使该颗粒脱离岩屑床而跳起，当岩屑上升到一定的高度以后，颗粒的水平分速接近钻井液轴向流速，从这一点起，该岩屑又转而下落。若跃起较高，则落到床层后还可以重新跳起，而且还使下落点附近的颗粒也跳起前移。此时即形成跃移质运动。 液流拖曳力深入到岩屑床表面以下各层的颗粒。环空流速小时，表层岩屑以滑动、滚动、跃移的形式运动。床面以下颗粒依然在原来的位置上静止不动，随着液流流速的不断加大，运动不断向深层发展，从而形成岩屑群的层状运动，即为层移质运动 1.2 环空固液两相流动机理 2.波状运移 当推移质运动达到一定规模后，岩屑床表层便形成起伏的沙波。由于岩屑床层组成不均匀，加上液流的脉动，即令原来比较平整的床层，也可能产生小的凹凸不平，使接近岩屑床层的钻井液流速发生变化。 在岩屑床层凸起处，流速增大，在凸起部分的下游，产生平轴环流，环流以下将出现较稳定的加速区。这种流速分布状态要求岩屑床层变成与之相适应的形式，即沙波的形式，超过一定限度后沙波就归于消失。 1.2 环空固液两相流动机理 当钻井液以紊流形式运动时，由于紊流的扩散作用使钻井液各层之间不仅有动量的交换，而且也有质量（岩屑）的交换。当岩屑沉速小于钻井液径向脉动速度时，岩屑就可能以悬移的形式运动。 环空流态为紊流时，其紊动猝发体以低速自岩屑床面附近上