9-固液两相流动

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类别模型特点大致年代离散模型单颗粒动力学模型不考虑颗粒对流体的影响。40年代末颗粒轨迹模型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。70年代中连续介质模型扩散模型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。60年代初单流体模型部分考虑了颗粒对流体流动的影响，不考虑相间相对运动。70年代双（多）流体模型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。70年代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升过程中，也携带了那里的岩屑。当猝发体崩解时，岩屑达到悬浮最高点，转而开始下沉。在降落过程中，一部分岩屑被正在向岩屑床层运动的高速带所攫取，回到近壁流区，另一部分岩屑落入正在上升的漩涡中，又转而向两侧散开，形式一股新的向上抬升的低速带。就这样岩屑进入悬浮状态，形成一种动态平衡。当岩屑以悬移质的形式运动时，它的迹线是不规则的。岩屑浮游的位置，时而接近井眼上侧，时而接近岩屑床。虽然有时也落到岩屑床层上停留，或发生置换现象，但浮游的连续性是相当大的，它前进的速度与钻井液轴向流速基本相同。3.悬移质运动1.2环空固液两相流动机理1.2.3环空固液两相流典型流型宏观上讲，在任一给定的岩屑浓度下，当由高到低逐渐降低混合物速度时，可以观察到四种不同的流动物理模型1.拟均匀悬浮2.非均匀悬浮3.移动床流动模型4.固定床流动模型1.2环空固液两相流动机理1.2.3环空固液两相流典型流型1.拟均匀悬浮拟均匀悬浮：在较高的流速下，强烈的紊动使得固体颗粒完全悬浮，颗粒浓度在环空断面分布比较均匀，称为拟均匀悬浮的流动模型1.2环空固液两相流动机理1.2.3环空固液两相流典型流型2.非均匀悬浮当流速、紊流强度和外力降低时，颗粒虽然仍然悬浮，但颗粒浓度在环空分布不再均匀，而是越接近环空下半部浓度越大，称为非均称悬浮的流动模型1.2环空固液两相流动机理1.2.3环空固液两相流典型流型3.移动床流动模型当流速进一步降低时，颗粒不能保持悬浮，开始向下沉降，并冲击外管壁，有的颗粒反弹回液流中，有的沉积于管底边。先是个别沙丘的形成，然后形成连续的移动床。对于混合有大小颗粒的系统，沉降速度有大有小，床层由沉降速度快的颗粒所组成。具有中等沉降速度的颗粒处于非均称悬浮中，最低沉降速度的颗粒处于均称悬浮中，随流体流动速度降低，移动床层逐渐加厚，但所有岩屑仍然在运动，称为移动床流动模型1.2环空固液两相流动机理1.2.3环空固液两相流典型流型4.固定床流动模型当混合物的流速进一步降低时，床层最底部的颗粒几乎停止运动，上部则为移动床层和流体层。随流体速度减小，底部静止床层逐渐增厚，悬浮和运动的颗粒越来越少，直至全部静止，这种包含有固定床层的流动就是固定床流动模型1.4岩屑运移稳定流动岩屑运移最小返速模型由于计算简便在现场得到了广泛应用，但它无法描述斜井段和水平井段形成岩屑床后的岩屑运移规律，即不同水力条件下的岩屑床高度和环空压耗的变化规律。这就需要建立环空中存在岩屑床时的分层流动模型，其研究方法可以概括为实验回归和理论建模两大类。不考虑岩屑床的累积和运移过程，环空流动达到稳定时的岩屑状态计算模型称为岩屑运移稳定模型。1.4岩屑运移稳定流动1.两层稳定流动1.4岩屑运移稳定流动sdsdsdbbbaeaACACACsdsdsdbbbaea(1)(1)(1)ACACAC固相：液相:sdsdsdiigsdpASSFLbbbiigbfbpASSFFL悬浮层：岩屑床层：sdsdhbsdpsin1exp[()]dACyhACA扩散方程1/3p0ssd0.014dRe2fbr4.8sb17.30.336(1)CpLRedC岩屑床渗流压降1.两层稳定流动1.4岩屑运移稳定流动1.两层稳定流动1.4岩屑运移稳定流动1.4岩屑运移稳定流动2.三层稳定流动1.4岩屑运移稳定流动2.三层稳定流动2.三层稳定流动1.4岩屑运移稳定流动1.4岩屑运移稳定流动1.4岩屑运移稳定流动3.两层不稳定流动1.4岩屑运移稳定流动4.数值模拟1.4岩屑运移稳定流动4.数值模拟