粘弹性聚合物溶液搅拌流场数值模拟研究

摘要

部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)是广泛应用于油田开采的工业产品之一，HPAM溶解过程是聚合物驱油工艺中的熟化环节，由于现在油田多采用高分子量的HPAM溶液，原有的配置单元对其溶解过程产生不适用性，导致溶解熟化时间长、搅拌效率低，在搅拌槽底部容易结块，直接影响HPAM溶液的输入质量和聚合物驱的宏观经济效益。因此，对于研究HPAM溶液的流变性质，给出适合描述HPAM溶液流变性的本构方程及流动控制方程，建立合理的搅拌流场数学模型，开发新型搅拌装置以及研究其搅拌流场的流型特点，对改善聚合物驱技术和提高原油采收率具有重要理论意义。
　　本文根据HPAM溶液的粘弹实验数据，采用平均标准偏差作为目标函数，结合KBKZ本构方程，拟合出不同分子量下不同浓度的松弛时间谱。在松弛时间呈10-2-103s之间的规整梯度下，找出对应的松弛模量的变化规律；在准确可靠表征HPAM溶液粘弹性的前提下，将松弛时间谱的个数减少为三个，降低了工程计算的难度。为改进HPAM溶液熟化配置单元，设计出一种螺旋翅片式节能桨，该搅拌桨主体支架为锚形，主体桨叶底部横梁为圆柱形，在搅拌桨两端桨叶紧贴圆管外壁增装螺旋翅片，螺旋翅片逆时针自两端圆管的底端旋转到达圆管的上端。螺旋翅片的这种空间旋转结构有利于流体的轴向流动，并且使待混合流体的轴向速度沿轴线分布均匀，实现了流体在整个搅拌槽内流场分布的优化，同时该搅拌桨降低了其在搅拌过程中的功率消耗，节约能源。采用数值模拟的方法研究了锚式桨和螺旋翅片式节能桨在牛顿流体以及其它不同流变指数的假塑性流体中的三维流场混合性能并进行分析对比，包括两种搅拌桨在不同高度处、不同雷诺数下、不同流变指数流体中的流场特性。对不同螺旋翅片间距以及搅拌桨直径d和搅拌槽直径D比值情况下的流场进行分析，计算获得锚式桨和不同几何尺寸螺旋翅片式节能桨的功率消耗曲线以及 Metzner常数。结果表明，螺旋翅片式节能桨与锚式桨相比，促进了搅拌槽内流体的轴向和径向流动，减小了功率消耗，提高了全槽平均剪切速率。随着螺旋翅片间距的增大和d/D比值的减小，搅拌桨功率消耗降低，同时全槽平均剪切速率略有下降。

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 流体的分类

1.3 粘弹性流体特性及数学表征

1.4 粘弹性流体混合特征与搅拌

1.5 搅拌流场数值模拟研究

1.6 研究的目的及意义

1.7 本文研究内容

第2章 HPAM溶液本构方程与松弛时间谱

2.1 HPAM溶液本构方程

2.2 目标函数的建立

2.3 计算结果与分析

2.4 小结

第3章 新型搅拌桨设计及数值计算条件

3.1 新型螺旋翅片式节能桨设计

3.2 数值模拟模型建立

3.3 小结

第4章 锚式桨与新型螺旋翅片式节能桨搅拌流场对比分析

4.1速度云图

4.2 速度矢量图

4.3 水平速度场分布

4.4 压力分布

4.5 排出流量准数

4.6 功率消耗特点

4.7 功率曲线与Metzner常数

4.8 小结

第5章 螺旋翅片式节能桨的结构优化

5.1 搅拌桨螺旋翅片间距对搅拌流场影响

5.2 搅拌桨直径d与搅拌槽直径D比值对搅拌流场影响

5.3 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科技成果

致谢