学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

超高分子量HPAM溶液流变行为与双螺带螺杆桨搅拌流场研究

作　者: 张敏革
导　师: 李鑫钢
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 双螺带螺杆搅拌桨部分水解聚丙烯酰胺(HPAM) 流变性数值模拟粒子成像测速(PIV)技术粘弹性流体
分类号: TE357.46
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 148次
引　用: 2次
阅　读: 论文下载

内容摘要

随着超高分子量部分水解聚丙烯酰胺(HPAM)溶液在我国三次采油技术中的广泛应用,聚合物驱配制工艺中的熟化单元成为制约采油工程正常运行的关键。对熟化单元中的HPAM溶液流变行为、搅拌装置混合性能以及HPAM溶液搅拌流场特性进行研究成为一项迫切需要深入研究的课题。为从微观上加深对驱油用HPAM的认识,借助于Brookhaven多角度激光散射仪对HPAM分子微观流体力学半径分布进行了测量。HPAM分子量越高,平均流体力学半径也越大;为全面考察HPAM溶液的流变行为,采用HAAKE Rheostress 150流变仪对HPAM溶液进行了稳态剪切流变性和小振幅动态振荡剪切流变性研究。结果发现,聚合物溶液的弹性能量非常显著,表观粘度具有剪切稀化的性质;在相同分子量下,聚合物溶液的浓度越高,其表观粘度、第一法向应力差、弹性模量和粘性模量越大。根据HPAM溶液的流变特征,得到了能够满意表征HPAM溶液的粘弹性本构方程-KBKZ本构方程。在方程参数确定过程中,提出了一种通过构造目标函数,采用非线性规划方法求极值点的一步法求解全部模型参数的方法。并通过合理简化,降低了KBKZ本构方程松弛时间谱个数。为全面考察适合于聚合物熟化搅拌装置-双螺带螺杆搅拌桨的混合性能,采用多重参考系法对这种搅拌桨在牛顿流体、非牛顿流体、气-液两相和固-液两相流中的搅拌流场进行了数值模拟研究。结果发现,双螺带螺杆搅拌桨能使流体在槽内产生轴向大循环;流体剪切稀化性质越显著,搅拌槽内无因次速度及循环量数均有不同程度的降低。双螺带螺杆桨对搅拌槽内气-液两相流体的气相具有汇聚和排出作用;在搅拌固-液两相流时,搅拌槽底部中间及槽底部边缘易形成死角,改型后的双螺带螺杆-锚式组合桨一定程度上改善了固液混合状况。采用粒子成像测速(PIV)技术对HPAM溶液搅拌流场进行了研究,发现双螺带螺杆桨在粘弹性流体中的搅拌流场呈现轴向大循环的特征。溶液的弹性使槽内流体的平均速度和平均剪切速率有所降低。本文研究结果不仅对三次采油聚合物地面配制工程具有重要的实用价值和理论意义,同时对聚合物溶液流变性本质、流体混合机理等基础性研究具有一定的现实意义。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-10
第一章文献综述  10-31
  1.1 研究背景  10-12
  1.2 聚合物溶液及其流变性  12-20
    1.2.1 聚合物溶液特点及分类  12-13
    1.2.2 聚合物分子构象与流体力学半径  13-15
    1.2.3 聚合物溶液的流变性及测量  15-19
    1.2.4 本构方程  19-20
  1.3 非牛顿流体的搅拌装置与混合特征  20-23
  1.4 搅拌流场数值模拟研究进展  23-27
    1.4.1 单相流搅拌流场数值模拟  23-25
    1.4.2 两相流搅拌流场数值模拟  25-26
    1.4.3 数值模拟中旋转桨叶的处理  26-27
  1.5 流场测量技术进展  27-29
  1.6 本文主要研究内容  29-31
第二章实验技术及方法  31-49
  2.1 HPAM 分子流体力学半径测试  31-33
    2.1.1 动态光散射技术原理简介  31-32
    2.1.2 动态光散射技术在聚合物溶液测量中的应用  32-33
    2.1.3 实验测试体系  33
  2.2 HPAM 溶液流变性测试  33-36
    2.2.1 稳态剪切流变测量  34-35
    2.2.2 动态振荡剪切流变测量  35
    2.2.3 测试体系  35-36
  2.3 HPAM 溶液搅拌流场PIV 测试  36-47
    2.3.1 PIV 测试系统简介  36-37
    2.3.2 PIV 测试技术在搅拌流场测量中的应用  37
    2.3.3 PIV 技术测试基本原理  37-44
    2.3.4 实验装置的建立  44-46
    2.3.5 实验测试方法  46-47
  2.4 本章小结  47-49
第三章 HPAM 流体力学半径及溶液的流变行为  49-75
  3.1 HPAM 分子的流体力学半径  49-51
  3.2 稳态剪切流变性  51-53
    3.2.1 表观粘度  51-52
    3.2.2 第一法向应力差  52-53
  3.3 动态振荡剪切流变性  53-60
    3.3.1 应变扫描  53-54
    3.3.2 频率扫描  54-59
    3.3.3 时间扫描  59-60
  3.4 聚合物溶液的本构方程  60-73
    3.4.1 上随体Maxwell 模型  60-61
    3.4.2 FENE-P 模型  61-63
    3.4.3 KBKZ 类本构方程  63-64
    3.4.4 超高分子量HPAM 溶液本构方程  64-69
    3.4.5 超高分子量HPAM 溶液本构方程的简化  69-73
  3.5 本章小结  73-75
第四章双螺带螺杆桨搅拌流场数学模型的建立  75-83
  4.1 基本假设  75
  4.2 搅拌流场单相流数学模型  75-77
    4.2.1 控制方程  75-76
    4.2.2 本构方程  76-77
  4.3 搅拌流场两相流数学模型  77-80
    4.3.1 双欧拉两相流模型  77-79
    4.3.2 气－液两相间作用力  79
    4.3.3 固－液两相间作用力  79-80
  4.4 旋转桨叶处理方法的确定  80-82
    4.4.1 滑移网格法  80-81
    4.4.2 多重参考系法  81-82
  4.5 本章小结  82-83
第五章双螺带螺杆搅拌装置的混合性能研究  83-111
  5.1 流体混合基本概念  83-86
    5.1.1 功率准数  83-84
    5.1.2 表观雷诺数  84-85
    5.1.3 Metzner 常数  85
    5.1.4 循环量数  85-86
  5.2 工作介质及操作条件  86-87
  5.3 数值计算方法  87-89
    5.3.1 计算区域的网格划分  87-88
    5.3.2 边界条件  88-89
    5.3.3 数值求解方法  89
  5.4 双螺带螺杆搅拌桨搅拌混合性能  89-103
    5.4.1 模型验证  89-90
    5.4.2 搅拌流场流型特点  90-93
    5.4.3 搅拌流场速度矢量分布  93-94
    5.4.4 搅拌槽内速度变化特点  94-98
    5.4.5 搅拌流场循环量数  98-100
    5.4.6 双螺带螺杆搅拌桨功率曲线及Metzner 常数  100-102
    5.4.7 双螺带螺杆搅拌桨搅拌功率特点  102-103
  5.5 双螺带螺杆搅拌桨在气－液两相流中的模拟分析  103-105
    5.5.1 初始条件  104
    5.5.2 搅拌流场速度分布与气含率分布  104-105
  5.6 双螺带螺杆搅拌桨在液－固两相流中的模拟分析  105-110
    5.6.1 初始条件  106
    5.6.2 搅拌流场速度场分布与固含率分布  106-107
    5.6.3 双螺带螺杆搅拌桨的结构改型  107-110
  5.7 本章小结  110-111
第六章双螺带螺杆搅拌桨在HPAM 溶液中搅拌流场研究  111-123
  6.1 聚合物溶液浓度及示踪粒子的确定  111-113
  6.2 聚合物溶液搅拌流场特点  113-115
    6.2.1 轴截面速度场分布  113-115
    6.2.2 纵截面速度场分布  115
  6.3 聚合物溶液搅拌流场影响因素分析  115-118
    6.3.1 搅拌转速对流场的影响  115-116
    6.3.2 桨径大小对流场的影响  116-117
    6.3.3 聚合物溶液浓度对流场的影响  117-118
  6.4 与纯粘性非牛顿流体搅拌流场的对比  118-121
    6.4.1 速度分布  119
    6.4.2 全槽速度统计分析  119-120
    6.4.3 全槽剪切速率统计分析  120-121
  6.5 小结  121-123
结论与展望  123-126
参考文献  126-139
发表论文和科研情况说明  139-140
致谢  140

相似论文

中图分类: > 工业技术 > 石油、天然气工业 > 油气田开发与开采 > 采油工程 > 提高采收率与维持油层压力（二次、三次采油） > 热力、混相、化学驱油(EOR,三次采油) > 化学驱油
© 2012 www.xueweilunwen.com