胶凝原没初始结构变形力学响应特性研究

摘要

胶凝原油初始力学响应特性是计算管道再启动过程的重要参数。旋转流变仪是测试胶凝原油初始力学响应特性的主要手段，其理论基础为Couette流动。初始剪切，Couette流动存在非稳态阶段，对流变测试结果造成影响。考虑胶凝原油具有的粘弹性与触变性，本文分析了不同边界条件下，不同类型流体非稳态Couette流动对其流变测试的影响，发现恒速度边界条件下的非稳态流动对流变测试的影响最小；进而开展了恒剪切速率条件下的胶凝原油初始力学响应特性研究；对比了剪切与轴向压缩条件下的胶凝原油初始力学响应特性差异。主要研究内容与结果如下： 对不同边界条件下的牛顿流体非稳态Couette流动开展了研究，建立定解问题，分别求解恒速度、恒剪切应力、随时间线性增加的速度、随时间线性增加的剪切应力边界下的流体速度分布函数，对比不同边界条件下的非稳态过程。发现恒速度边界非稳态流动达到均匀剪切所需时间最短，与时间相关的边界会导致流动达到均匀剪切所需的时间延长。开展阶跃速度与阶跃剪切应力边界条件下的非稳态Couette流动研究，发现非稳态流动达到均匀剪切所需时间与无量纲时间、阶跃比有关；阶跃剪切应力边界下达到均匀剪切所需的时间要长于阶跃速度边界。 考虑胶凝原油具有显著的触变性，开展了Cross触变流体非稳态Couette流动研究。联立动量方程与流体本构方程，建立了Cross触变流体在Couette平板系统内的非稳态流动模型，分析边界条件、流体物性等对非稳态流动过程的影响。研究发现，初始非稳态剪切阶段，平板间隙内各处流体结构参数的差异不大。基于计算结果，对比分析得到了流体物性对非稳态流动过程的影响，发现Cross触变流体非稳态Couette流动的初始阶段与牛顿流体十分相似，但恒剪切应力边界下，在结构显著裂降段再次出现明显的非稳态剪切情况。 考虑胶凝原油初始变形具有显著的粘弹性，对Burgers粘弹体非稳态Couette剪切开展了研究。解析求解恒定速度边界与恒定剪切应力边界条件下的纯弹性材料真实非稳态变形特性，发现弹性材料非稳态剪切过程中存在显著振荡现象。建立了Burgers粘弹体非稳态Couette剪切数值计算模型，计算对比了Burgers体物性参数对非稳态过程的影响，分析了不同边界条件下的非稳态过程差异。发现恒剪切应力边界条件下，非稳态剪切测量应变与理想均匀剪切测量应变的比值γ(t)出现振荡现象且振幅逐渐衰减；恒定速度边界条件下，无量纲剪切应力τ(t)周期振荡且振幅不断衰减；相比恒定速度边界下的τ曲线，控制剪切应力边界条件下的γ(t)曲线的振幅更大，达到稳定所需时间更长，但曲线振荡频率较低。 建立了Cross触变流体与Burgers粘弹性体在Taylor-Couette系统内的非稳态流动模型，计算分析发现，恒定扭矩条件下，移动边界位置处的真实剪切应力与预设恒定值存在一定差距。数值计算与试验测试结果均显示：牛顿流体在Taylor-Couette系统内的初始应变表现出非线性特征，而粘弹性材料的实测应变值出现了显著的振荡现象。 基于上述研究结果，设定恒剪切速率测试条件，开展胶凝原油初始力学响应特性测试；考虑材料应力松弛特性对恒应变速率条件下力学响应过程的影响，结合损伤因子、特殊粘性元件与Maxwell粘弹性体本构方程，建立描述胶凝原油初始力学特征的模型。结果显示，模型可以较精确描述较大范围剪切速率条件下的应力-应变曲线。基于模型与损伤理论，提出了损伤软化临界应变的概念。 利用流变仪平板测试系统开展了胶凝原油轴向压缩变形过程中的力学特性试验测试。控制恒轴向应变，获得了轴向应力松弛过程；设置恒轴向应变速率，获得了轴向应力-应变曲线。对比胶凝原油剪切力学响应特性，发现胶凝原油轴向应力响应过程与剪切条件下的应力响应特点基本一致，但轴向松弛模量数值远大于剪切松弛模量，且相同应变值的轴向应变更容易造成胶凝原油结构破坏。

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