流体的力学特征范文

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篇1

【关键词】  粒细胞; 流行病学研究; 感染

epidemiological characteristic of epidemic situation about the humaninfected granulocytic anaplasmosis in southern anhui cheng zhouxiang1, yang xiaoxiang1, li qun2, he jiangang1, dou zhengdong1, wu jiabing3, yu yanlin4, wang fei1. 1.wuhu center for disease control and prevention, wuhu 241000, china; 2.office for disease control and emergency response, chinese center for disease control and prevention, beijing 100050, china; 3.anhui center for disease control and prevention, hefei 230061, china; 4.yijishan hospital of wannan medical college, wuhu 241001, china

【abstract】 objective to describe the epidemiological and clinical characteristics of epidemic situation about the humaninfected granulocytic anaplasmosis. methods the whole cases were collected which had occurred in this epidemic. then the epidemiological and clinical characteristics were analyzed by descriptive epidemiology, compared with the clinical characteristic of previous tickinfected human granulocytic anaplasmosis. at the same time, the risk factor of infection was analyzed. results the cases had the typical clinical characteristic, such as hyperpyrexia, progressive falling of wbc and plt. the fever process was 1～6 days, the incubation period being 4～13 days and its median 7. the infection rate of the persons who had close contact with the first case during his or her illness was 14.3%. the attack cases among the persons who had close contact with the first case when he or she was in a critical condition were 23.1%. the blood sample from 8 secondary attack cases was tested positive about the 16s rrna gene of granulocytic anaplasma. the specific serum antibody was seroconversion in convalescence and its titer was 1∶64～1∶128. conclusions this is not only the first report about humaninfected granulocytic anaplasmosis but also the first one that granulocytic anaplasmosis can result in iatrogenic infection. there is even no infectiousness in the early light situation of disease, but the possibility of infection increases if people have close contact with patients when their illness is serious. therefore, isolation and protection have to be practiced.

【key words】 granulocytes; epidemiologic studies; infection

“人粒细胞无形体病”(human granulocytic anaplasmosis，hga)(以前称“人粒细胞埃立克体病”[1])是一种人类新发传染病。1994年在美国明尼苏达州杜鲁士首次发现一种不同于查菲埃立克体的感染，病原体主要侵犯中性粒细胞，被命名为人粒细胞埃立克体(human granulocytic ehrlichiosis,hge)[2]，此后美国[3]、斯洛文尼亚[4]、比利时[5]、澳大利亚[6]、意大利[7]、瑞典[8]、德国[9]等欧美国家都有病例报道或有流行病学资料证实该病原体感染。2001年高东旗等[10]在大兴安岭地区开展人群埃立克体感染的调查，结果首次在亚洲从人血中扩增出人粒细胞埃立克体16s rrna基因片段。初步认为我国大兴安岭地区存在人粒细胞埃立克体感染人群。但以上报道所有的病例或感染者都有蜱叮咬史，传染源是野外动物。2006年11月安徽省芜湖市y医院收治10例“人粒细胞无形体病”病例，由于其中后9例均是与首例病人有密切接触的医务人员或陪护亲属，且无蜱叮咬史等可能的传播途径，目前认为这起疫情是全球首次发现的人传“人粒细胞无形体病”疫情。使人类对人粒细胞无形体病的流行病学特征又有了进一步了解和认识。现将这起疫情的流行病学和临床特征做一描述。

1 对象与方法

1.1 病例临床资料 来源于芜湖市y医院。

1.2 现场流行病学调查

1.2.1 病例定义 因急性发病，发热(t≥38 ℃)，外周血白细胞(white blood cell,wbc)和血小板(platelet count,plt)均下降的病人，可合并多脏器功能损害，具有可疑动物或首例病例接触史并发病的病人，以及与这些病例在诊疗过程中接触并具有以上类似病症的病例，实验室检验结果符合粒细胞埃立克体感染特征[11]。

1.2.2 个案调查 根据以上病例定义搜索病例，并对符合定义的10例病人或其家属开展调查，调点内容为发病前可能的暴露因素、发病经过、诊疗过程、接触者、接触方式、接触时间、个人防护情况、年龄、职业、生活环境和首例病人可能的动物接触史。

1.2.3 病例密切接触者调查 内容基本与病例相同。

1.2.4 病例资料描述性流行病学分析 发病时间分布，病例的性别、年龄、职业分布，地区分布。

1.3 样品采集和实验室检验

1.3.1 首例病人(死亡病例)血清 送安徽省疾病预防控制中心，免疫荧光法检测流行性出血热igg。

1.3.2 继发病例和对照样本 继发病例病后每隔3 d采取抗凝血2.5 ml和不抗凝血5 ml，采取病例早期咽拭子样3 ml，病程中后期尿液2 ml。密切接触者血清标本216人份(153人)，自然人群血清标本40份(40人)，检测特异抗体和核酸。送安徽省疾病预防控制中心和中国疾病预防控制中心进行病原学检测。

1.3.3 病例白细胞形态学检查 吉姆萨染色观察白细胞内包涵体。

2 结果

2.1 临床特征

2.1.1 临床症状 所有病例均有畏寒和发热，最高体温都超过39 ℃，如果不进行对症处理，则高热不退。大多体温39.5 ℃，最高40 ℃。病例的热程在1～6 d，中位数为4 d。大多数病例(7/10)有腹泻。在发病后1～4 d出现，多为1～2 d,大多数每天腹泻3～4次，多的有5～6次。见表1。1例进展成急性呼吸窘迫综合征(aucte respiratory distress syndrome,ards)，合并弥散性血管内凝血(disseminated intravascular coagulation,dic)死亡。表1 皖南地区人粒细胞无形体病疫情临床症状出现频次

2.1.2 临床检验结果 所有病例均先出现血液系统的改变，wbc和plt均出现进行性下降，wbc多为2.0×109/l～3.0×109/l、中性粒细胞比例减少多见 ，部分可见异形细胞，plt多为30×109/l左右;尿常规检查4例尿蛋白阳性，可有血尿和颗粒管型;7例出现酶学改变，肌酶和肝酶升高，如乳酸脱氢酶、转氨酶(alt和ast)异常，心肌酶谱升高(同工酶正常)等;肾功能异常出现较晚，且不是很严重(包括死亡病例)。

2.2 流行病学调查资料分析

2.2.1 发病时间分布 首例病人10月18日发现自己被野兔身上的草蜱咬伤右踝关节内侧，10月21日上午在家衣橱中捕杀一窝老鼠，并清理和清洗部分被老鼠污染的衣物。10月30日晚20：00发病，10月31日在该村卫生室就诊，11月3日晚21:00到x县人民医院治疗，11月4日中午转往芜湖市y医院就诊，初步诊断为“流行性出血热(少尿期)”。11月5日凌晨患者存在多脏器衰竭，11月5日6：55死亡。

从11月9日起陆续出现新病例，在12日出现发病高峰(4例)，后逐渐下降，见图1。

2.2.2 性别、年龄、职业分布 10例病例中，男性6例，女性4例。职业为：农民5例，医务人员4例，教师1例。年龄在25～67岁之间，其中20～年龄组4例，30～岁组3例，40～、50～、60～年龄组各1例。

2.2.3 地区分布 10例病例中，宣城市x县新杭镇6例，芜湖市y医院4例。

2.2.4 密切接触者情况 经宣城、芜湖两市疾病预防控制中心对所有密切接触者进行追踪、隔离观察及医学观察，结果共搜索与死亡病例(首例病人)病后有过密切接触人员共63人，亲属21人，医护人员42人(y医院24人、x县医院16人、村医2人)，其中9人陆续发病，4人为y医护人员，5人为病人亲属，感染率14.3%。在y医院有过密切接触者39人中，发病9人，发病率为23.1%。与首例病人仅在病情尚不危重，未转入y医院之前密切接触者24人没有发现续发病例(χ2=4.7,p<0.05)。提示此阶段病人不具备传染性或传染性不强，在y医院与死亡病例危重时有过密切接触是发病的危险因素。

与9例续发病例的密切接触人员有90人，其中亲属朋友48人，医护人员42人(y医院20人、x县医院22人)。所有密切接触者经医学观察14 d，未再发现类似病例。

2.2.5 潜伏期估计 首例病人10月18日被蜱叮咬,21日接触老鼠,30日发病。因为人粒细胞无形体病通常是蜱传疾病，所以推算潜伏期为12 d。

9例续发病例在y医院与死亡病例危重时有过密切接触时间在11月4日或5日，发病在此接触后4～13 d之间，中位数为7 d，主要集中在7～9 d，占66.7%(6/9)，见图2。

2.3 实验室结果

2.3.1 首例病人(死亡病例)血清流行性出血热免疫荧光抗体igg(-)

2.3.2 继发病例实验室结果

2.3.2.1 排除可能的病原体感染的有关检验 11月15日～17日共5例病人血清标本流行性出血热igm抗体阴性(elisa法)。11月17日采集的7例患者血清除一人流感igg(+)外，检测sars、流感、副流感、柯萨奇、呼吸道合胞病毒、腺病毒、支原体、衣原体igm、igg抗体，均为阴性。7例患者咽拭子样本流感通用型、b型、h5核酸检测均阴性。斑疹伤寒、斑点热、恙虫病核酸检测均无特异条带扩增。 能引起出血热的病毒如沙粒病毒属、丝状病毒(埃博拉病毒、马尔堡病毒)、黄病毒、布尼亚病毒(汉坦病毒、cchf病毒、立夫特谷热 )核酸和抗体均阴性。

2.3.2.2 病原体特异检测 11月24日，9位患者早期(发病后3～5 d)血清抗粒细胞无形体igm(1∶20)、igg(1∶64)抗体检测均为阴性，病后3 w对其中的5例病人恢复期血清进行了特异抗体igg检测，5例病人血清igg抗体均为阳性,其中3人阳性滴度1∶64，2人阳性滴度1∶128(呈4倍增高)。8位患者的血标本的无形体和埃立克体属16s rrna基因检测阳性,pcr产物经过测序分析验证与嗜粒细胞无形体16s rrna序列100%同源。白细胞形态学检查，1例病人白细胞内可见嗜粒细胞无形体桑椹包涵体。

3 讨论

3.1 这起疫情是嗜粒细胞无形体感染引起的 从临床特征上分析，10例病人均有急性起病、寒战、高热、体温超过39 ℃、相对缓脉、乏力不适、外周血wbc计数下降、plt下降，部分患者出现腹泻、肝功能损害、肾功能损害，少见皮疹。符合嗜粒细胞无形体病临床特点[2，12，13]。实验室检测排除斑疹伤寒、斑点热、恙虫病、能引起出血热的一些病毒等病原体感染。继发病例早期血清抗粒细胞无形体抗体阴性，恢复期转为阳性,血标本的嗜粒细胞无形体16s rrna基因检测阳性,pcr产物经过测序分析验证与嗜粒细胞无形体16s rrna序列100%同源。病人白细胞内可见特异性桑椹包涵体。这些资料表明这些病人符合嗜粒细胞无形体病的诊断标准[11]。虽然首例病人在早期临床上诊断为“流行性出血热”，也没有实验室结果支持为嗜粒细胞无形体病，但该患者有蜱叮咬史，潜伏期为12 d，符合该病潜伏期7～14 d(平均9 d)的特征[12～14]。其病程发展符合该病临床特点。与其密切接触者发生与其临床特点相符的病症。可以推断首例病人也应该是嗜粒细胞无形体感染。

3.2 这起疫情是一次罕见的、首次发现的人传嗜粒细胞无形体病疫情和医源性感染暴发 在此以前，嗜粒细胞无形体病已确认是蜱叮咬传播的人畜共患的新发传染病[1，8，13]。传播媒介是硬蜱属的一些蜱种[12，15]。在我国已经报道过的嗜粒细胞无形体病(埃立克体病)病例或流行病学调查发现的感染者中，也都有蜱叮咬史[10，14]。皖南这起疫情的9例续发病例都没有蜱叮咬史，也没有其他野生动物接触史，只是与首例病人在医院中有过密切接触，且发生医务人员感染。由此来看，嗜粒细胞无形体病的传染源可以是病人，传播途径可以是与危重病人近距离接触而非一定是蜱传。

3.3 人传嗜粒细胞无形体病临床特征和潜伏期与蜱传嗜粒细胞无形体病基本相同 这起疫情病人临床表现和体征以及实验室检验结果与以往报道蜱传嗜粒细胞无形体病没有特异性。病人潜伏期多为7～9 d，以往报道蜱传嗜粒细胞无形体病潜伏期为7～14 d(平均9 d)。病原体不同侵入部位和方式所引起的病理过程是否有差异有待研究。与危重病人近距离接触传播最可能的侵入途径是吸入或沾染粘膜和破损皮肤，而蜱叮咬多在四肢暴露部位。

3.4 病人作为嗜粒细胞无形体病的传染源的传染力大小因其处在不同病程阶段而不同 这起疫情与死亡病例(首例病人)病后有过密切接触人员感染率14.3%。但其中与首例病人仅在病情尚不危重，未转入y医院之前密切接触者24人没有发现续发病例。与病人在危重时有过密切接触者发病率为23.1%。提示这类病人在危重时应严格隔离，禁止病房内陪护，医务人员应加强卫生防护。

【参考文献】

 

[1] oteo ja, brouqui p. ehrlichiosis and human anaplasmosis [j]. enferm infecc microbiol clin, 2005,23(6):375380.

[2] 曹务春. 人埃立克体病的发现与研究进展 [j]. 中国人兽共患病杂志, 1997,13(4):5760.

[3] gardner sl, holman rc, krebs jw, et al. national surveillance for the human ehrlichioses in the united states, 19972001, and proposed methods for evaluation of data quality [j]. ann n y acad sci, 2003,990:8089.

[4] lotricfurlan s, petrovec m, avsiczupanc t, et al. human granulocytic ehrlichiosis in slovenia [j]. ann n y acad sci, 2003,990:279284.

[5] heyman p, cochez c, bigaignon g, et al. human granulocytic ehrlichiosis in belgium: an underestimated cause of disease [j]. j infect, 2003,47(2):129132.

[6] walder g, falkensammer b, aigner j, et al. first documented case of human granulocytic ehrlichiosis in austria [j]. wien klin wochenschr, 2003 ,115(78):263266.

[7] ruscio m, cinco m. human granulocytic ehrlichiosis in italy: first report on two confirmed cases [j]. ann n y acad sci， 2003，990:350352.

[8] strle f. human granulocytic ehrlichiosis in europe [j]. int j med microbiol, 2004，293:2735.

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关键词：油气成藏动力，学油气运移油，油气成藏机理

 

1.油气成藏动力学研究方法

成藏动力学研究是在综合分析区域钻探、地球物理、分析测试和地质地化等资料的基础上, 采用静态描述和动态模拟相结合的方法, 其中计算机模拟方法可以定量地、动态地刻划各种因素相互作用的历史过程, 从而更深刻地揭示其内在规律性, 因此是成藏动力学过程研究的一项关键技术。成藏动力学模拟实质上是成藏动力学过程模拟, 是一项高度复杂的系统工程, 它需要以当代最先进的地质学和石油地质学理论为基础, 全面利用各种地质、物探资料, 采用最先进的盆地描述和盆地模拟技术方可进行[1]。，油气成藏机理。盆地描述部分用于刻划盆地现今的构造、沉积岩性和各种地质参数的空间展布特征, 为盆地模拟奠定基础。盆地模拟方面包括构造、沉积、储层、古水动力场、古地温、生烃、排烃、圈闭演化和油气运移聚集等各个部分。其中, 从生烃到运移的模拟构成成藏动力学过程模拟的主体, 而其他的描述和模拟则是成藏动力学过程模拟必不可少的重要基础。成藏动力学过程模拟的最终结果体现在油气资源量计算部分上, 包括计算出盆地的生烃量、排烃量、烃碳转换量、油气损失量, 最后要计算出盆地中聚集的油气资源量[2]。，油气成藏机理。

2.油气成藏动力学系统的划分及类型

田世澄(1996) 提出将受地球深部动力学控制的盆地构造2沉积旋回作为一个成藏动力学系统, 把改变地下成藏动力学条件, 影响成藏动力学过程的区域不整合和区域分布的异常孔隙流体压力界面作为不同成藏动力学系统的界面。并据动力学特征将成藏动力学系统分为开放型、封闭型、半封闭型3 种类型, 据油源特征又区分为自源成藏动力学系统和他源成藏动力学系统。因此共可划分出6 种油气成藏动力学系统[3-6]。康永尚(1999) 根据系统动力的来源、去向和系统的演化方式将油气成藏流体动力系统分为重力驱动型、压实驱动型、封存型和滞留4 种。，油气成藏机理。实际上重力驱动型对应开放型, 压实驱动型对应半开放型, 封存型和滞留型则对应封闭型。，油气成藏机理。，油气成藏机理。因此二者是一致的。这种以油气成藏的动力因素来划分油气系统的方法比经典的含油气系统的一套源岩对应一个油气系统的粗略划分方法更深入, 更能体现油气作为一种流体的运动分布规律, 从而有效指导我国陆相含油气盆地的勘探[7]。

3.油气成藏主要动力因素的研究

沉积盆地实际上是一个低温热化学反应器, 油气的富集是由温度、力和有效受热时间控制的化学动力学过程, 及由压力、地应力、浮力和流体势控制的流体动力学过程的综合结果, 也是盆地中各个成藏动力学系统中的油、气、水三相渗流过程的结果。张厚福(1998) 认为: 地温场、地压场、地应力场等“三场”系受地球内能控制, 是地球内部能量在地壳上的不同表现表现形式。“三场”相互之间彼此影响与联系。“三场”的作用使地壳上形成海盆、湖盆等各种水域, 才衍生出水动力场, 有了水体才能出现化学场与生物场, 后二者也相互联系与相互制约。综合这些场的作用, 在含油气盆地内才出现油气成藏动力系统与流体压力封存箱等地质实体, 后二者之间互有联系和影响。油气从烃源岩生成并排出到相邻的输导层经运移聚集而成藏及成藏后发生的物理化学变化这一系列过程都始终贯穿“三场”的作用[8-10]。

4.含油气系统和油气成藏动力学的关系探讨

目前对含油气系统和油气成藏动力系统之间的关系众说纷纭。主要有3 种说法。(1) 含油气系统研究是油气成藏动力学研究的起点。(2) 油气成藏动力学研究是含油气系统研究的基础。王英民(1998) 认为含油气系统划分是成藏动力学研究的结果。，油气成藏机理。(3) 含油气系统和油气成藏动力学系统是交叉关系。笔者认为由油气运聚的物质空间和动力因素控制的流体输导系统的研究是油气成藏动力学研究的核心内容, 油气成藏动力学研究应按照从源岩到圈闭这一历史主线, 侧重于油气成藏的动力学与运动学机制的研究。但油气成藏动力系统对应的状态空间是油气藏。而含油气系统是从油气显示开始, 而不考虑其是否具有工业价值。因此油气成藏动力系统是在大的合油气系统研究基础上进一步按油气运聚动力学条件而追踪油气分布规律。因此笔者倾向于第一种说法, 认为在含油气系统宏观研究思路基础上进行油气成藏动力学过程的系统研究, 并根据成藏动力源泉进一步划分油气成藏动力系统, 才能弄清我国陆相盆地的成藏机理和油气分布规律并建立当代高等石油地质理论, 从而更好地指导21 世纪的油气勘探[11]。

参考文献

[]佩罗东1石油地质动力学[M]1北京:石油工业出版社,19931

[2]孙永传1石油地质动力学的理论与实践[J]1地学前缘,1995,2(224):92141

[3]康永尚,等1油气成藏流体动力系统分析原理及应用[J]1沉积学报,1998,16(3):802841

[4]康永尚,等1油气成藏流体动力学[M]1北京:地质出版社,19991

[5]王英民1残余盆地成藏动力学过程研究方法[J]1成都理工学院学报,1998,25(3):38523921

[6]胡朝元,等1成油系统概念在中国的提出及应用[J]1石油学报,1996,17(1)1

[7]龚再升,等1南海北部大陆边缘盆地分析与油气聚集[M]1北京:科学出版社,19971

[8]张厚福,等1石油地质学[M]1北京:石油工业出版社,19931

[9]田世澄,等1论成藏动力学系统[J]1勘探家,1996,1(2):202241

[10]张厚福，石油地质学新进展[M]1北京:石油工业出版社,19981

[11]费琪,等1成油体系与成藏动力学论文集[C]1北京:地震出版社,19991

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完成单位：东华大学

“纤维/高速气流两相流体动力学及“应用基础研究”项目解决了纤维在高速气流场中的耦合相互作用问题，这在国内外同类研究中未见报道。作为基础科学研究项目，东华大学纺织学院获得纺织之光2012年度科技奖一等奖的项目，为纺织新技术、新工艺的产生与发展奠定了基础。

纺织气流问题是纺织科学中的重要基础性课题。自上世纪80年代高速气流在喷气织机、喷气纺纱机得到商业化应用以来，在陆续产生了变形丝、网络丝、空气捻接、熔喷非织造和喷气涡流纺纱等现代纺织新技术中，高速气流技术已成为现代纺织加工的主流技术之一。

高速气流与其加工对象——纤维或纱线之间的耦合作用特性是这些技术共有的基本特征。但是，国内外的相关研究还主要局限在低速气流，纤维/高速气流两相流体动力学的基础研究还相对薄弱，难以为高速气流技术的纺织应用提供有力的支撑。

项目研究团队于1995年起，在国家自然科学基金委、教育部和上海市等科研计划项目的支持下，围绕纤维/高速气流两相流动力学开展了系统的研究工作，实现了五个方面的技术创新。

作为项目组成员之一，东华大学教授曾泳春为我们做了更加详细的介绍。首先，构建了基于柔弹性特征的纤维模型。“珠—杆”链式和基于有限单元法的纤维模型，将纤维的柔弹性物理特征纳入其中，实现了纤维在高速气流中位置、取向及变形的合理描述。二是揭示了纤维在高速气流场中的耦合作用特性与运动变形规律。在国际上首次实现了纤维在喷气纺、喷气涡流纺、气流减羽等喷嘴中运动的数值模拟，获得了纤维运动、变形特征及其与高速气流场的相互作用规律。三是实现了纺纱喷嘴内高速气流场流动特性的数值模拟与实验测试。四是对纤维，高速气流两相流体动力学理论研究成果在高速气流纺纱中进行应用。揭示了喷气纺与喷气涡流纺加捻、气流喷嘴减少纱线毛羽的机理，设计了具有自主知识产权的纺纱喷嘴，实现了工艺的系统优化与成纱质量的精确预测。五是将纤维，高速气流两相流体动力学模型拓展应用于超细纤维纺丝拉伸技术中。

基础科学研究不仅仅是实验室中的数据和论文上的文字，它的投产使用才是研发的初衷。纺织科学国家重点学科现代纺织技术研究方向学科带头人之一，本项目的第一完成人，东华大学教授郁崇文让我们看到的是这项研究的前景。

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关键词：液压支架；流体；动力响应；非稳态

1液压支架前连杆三维结构模型

利用大型有限元分析软件Solidworks对液压支架前连杆进行建模，并且进行简化处理，以便进行流体动力学分析。简化的具体情况：（1）忽略倒角圆角等细小特征，该特征将直接影响收敛速度，从而影响结果的精度；（2）忽略建立销轴零件模型，在载荷设置中可以设置相关的约束，否则会影响前连杆动力学参数曲线的输出精度；（3）忽略焊缝的影响。材料属性为：弹性模量210GPa，泊松比μ=0.3，密度7850kg/m3，前连杆三维结构模型如图1所示。图1前连杆三维结构模型在网格划分过程中，单元选择SHELL63，该单元是一种应用于大变形和应力刚化的四节点弹性壳单元，每个节点自由度具有绕X、Y、Z轴的转动和沿X、Y、Z方向的平动6个自由度。通过赋予4个节点来建立不同厚度分布的模型，对于不规则形状的结构具有较高精度。网格化的前连杆如图2所示，节点数14537，单元总数7089。

2基本控制方程

液压支架前连杆附近流体为黏性不可压缩流体流动，运动类型为湍流运动，雷诺数为4200，并且满足以下控制方程：连续性方程。

3前连杆流体动力学分析

边界条件及数值计算方法为前连杆承受的载荷主要为液压支架的摆动及转动。在工程应用中，一般转速为0.8m/s，本文模型的计算域大小为长5m、宽3m、高4m，前连杆位于计算域的中心位置。数值计算方法为Simple算法，周围流体满足的连续性方程、动量方程、能量方程等的残差均小于10-6，当参数趋于渐近值时，达到收敛，之后采用Quick格式求解，再次进行迭代直至收敛。图3、图4为前连杆在非稳态情况下切面云图变化。由图3可知，前连杆切面周围温度由同一方向293.17~293.25K过渡，最终趋于293.19K，呈稳态变化，这是由于该系统符合能量守恒定律，表面有一定的温度，流体接触前连杆形成散射波，并且绕流在前连杆周围，导致温度升高。流体距离前连杆越远，绕流逐渐散去，温度降低。图4给出了塔架切面静压等高线，经过流体的前连杆静压变化由1.01278×105Pa向1.01348×105Pa过渡，呈非线性增长，最终趋于1.01320×105Pa，压力变化平缓，避免了由于压力变化幅度过大引起结构失效。图3、图4说明了前连杆结构能够适应在非稳态流体载荷的温度及压力变化，数值模拟结果中的温度及压力变化没有出现极值幅度，周围不易形成漩涡，保证了前连杆在液压支架中的正常运行。图5、图6、图7分别为湍流动能、平均动能、相对压力变化曲线。从图5可知，前连杆的湍流动能最大值为4.8J/kg，随着长度的逐渐增大先减小后增大，最后达到最大值，这是由于前连杆机械能增大，随后逐渐减小，趋于一个定值。从图6可知，平均运动能在0~12s出现振幅较小的振荡，12~24s出现幅度较大的振荡，最后趋于定值，完成了一个脉动周期，说明能量耗散变化趋势和机械能与内能之间转换的关系，12~24s能量耗散是最大的，内能转换为机械能也是最大的，符合能量守恒定律，辐射阻尼使系统的部分能量向四周辐射出去，使前连杆平均运动能呈现振荡。从图7可知，随着长度的增加呈现减小与增加的交替现象，这是由于前连杆在刚启动时，相对压力与平均力矩即扭矩呈正比关系，随着前连杆的转动，扭矩的劲逐渐增大，然后减小，呈现交替现象，符合扭矩变化规律。图8、图9分别为前连杆应力和位移变化云图，应力变化在范围允许之内，整个前连杆应力幅度变化不大，承受主要载荷的区域显示浅绿色，其余部分由图中应力的颜色可知在安全范围内，符合强度要求。从位移变化云图可知，位移在0.02~0.15mm浮动，符合稳定性要求，稳定性尤为重要，直接关系前连杆与其他配合零件相对位置，进而影响整个系统的稳定。

4结语

经过液压支架前连杆的流体动力学分析，可以得出，液压支架前连杆承受非稳态流体载荷的静压与温度变化，符合流体动力学规律，压力变化平缓，呈现非线性增长。平均动能出现振幅较小的振荡，最后趋于定值，符合能量守恒定律，应力与位移变化幅度较小，位移变化量有10%以上的裕度，稳定性较好，符合强度要求，从而为前连杆在运行过程中动力学参数的监测提供一定的参考。

参考文献：

［1］陆丹丹,陆金桂.基于灰熵关联的液压支架前连杆疲劳寿命影响因素分析［J］.机械制造与自动化,2016,45(5):37-39.

［2］廖华林,李根生,李敬彬,等.径向水平钻孔直旋混合射流喷嘴流场特性分析［J］.煤炭学报,2012,37(11):1895-1900.

［3］王永龙,王振锋,孙玉宁,等.水力割缝阀体实现切换的流体动力学分析［J］.煤矿机械,2015,36(3):123-125.

篇5

关键词：工业厂房；煤气泄漏；火灾模拟；烟气流动

中图分类号：X92 文献标识码:A

1 概述

随着工业化发展的不断提高，工业用火、用电、用气和化学物品的应用也日益广泛，工业建筑物火灾的危险性和危害性大大增加，伴随而来的火灾发生的频率也越来越高，尤其在工业厂房内，一旦有火灾发生就会对人员的生命财产造成直接的危害，严重的情况下会导致巨大的人员伤亡和财产损失。

例如以简化的厂房空间为研究对象，借助大型专业化计算流体力学软件FLUENT, 对单室内由于煤气泄漏引起的火灾及烟气蔓延过程进行数值模拟，得到了火场中温度场和燃烧产物二氧化碳浓度场的直观显示，为人们了解火灾发生和发展的过程提供了新的方法和手段，也为工业建筑防火设计和消防安全评估提供了新的科学工具，是消防安全工程学和性能化设计的重要基础。

2本文设定的场景与几何建模

实验房间几何尺寸为长6.0m，宽3.3m，高4.5m，房间墙壁有一高1.2m，宽2.0m的窗户，窗户对面是一高2.0m，宽0.8m的房门，在一侧壁中央位置距地面高1.0m有一处煤气泄漏点，本文考虑的泄漏危险源是沿墙铺设的煤气汇流排管道有一处泄漏，形成直径为1cm的圆形泄漏喷口，泄漏流量为0.1413m3/h（即泄漏速度为0.5m/s），泄漏煤气的主要成分为甲烷。如图2.1所示为在GAMBIT几何建模软件中建立的实验房间几何模型。

2.1 实验房间几何模型

3建立数学物理模型

火灾的场模拟理论基础是基于质量守恒、动量守恒、能量守恒、化学组分平衡的微分方程，而场模拟的过程就是对这些方程组进行数值求解。然而这些方程组是不封闭的，为了使方程组封闭，就必须引入湍流的附加方程，然后借助计算机对封闭方程组进行求解，就可以得出火灾过程中各种参数的详细空间分布及其随时间的变化。

3.1湍流平均量方程

火灾中燃烧的湍流过程影响着整个流体的流动，要想求解方程组就必须正确处理湍流过程。计算湍流粘性系数Ut的方法就是所谓的湍流模型，湍流模型种类很多，本文引用应用范围较广的k-epslion双方程模型：

3.2边界条件

FLUENT软件包含了更为广泛的边界条件设置类型，本文仅结合所研究的实际问题进行讨论。

（1）流体进口边界条件：本文对于着火厂房设置了两个流体进口，一个是燃料进口，另一个是空气进口。其中甲烷的泄漏速度为0.5m/s，温度为300K；窗户进风速度始终为0.5m/s，温度300K。

（2）流体出口界面：本文场景中厂房的房门为出流口。

（3）壁面：本文的研究中采用绝热、无渗透、无滑移壁面。

4模拟结果及分析

数值模拟计算采用FLUENT软件进行，使用分离解方法。求解过程中，燃烧控制方程具有较好的收敛记录。

图4.1 60秒时温度等值线图

图4.2 60秒时CO2浓度等值线图

结果分析

高温烟气对人体的危害如果烟气层面高于人眼的特征高度时（人眼的特征高度通常为1.2～1.8m，一般取1.5m），其烟气层的热辐射强度就会伤害人，而当烟气层面低于人眼的特征高度时，对人的危害将是直接烧伤或由于吸入热气体而对呼吸系统的破坏。由60s时图4.1可以看出，房间窗户下沿1.8m处烟气温度已经达到180℃左右，此时可对人体造成辐射伤害，在房间中后部烟气高度已接近1.5m，将对人体构成直接伤害。所以，人置身于煤气泄漏的火场时，要在短时间内逃离，以防热烟气层的沉积造成高温烟气的辐射、灼伤而阻碍逃生。

CO2浓度在60秒时有明显的增长趋势。主要是厂房空间内原有的氧气和窗户的进风使煤气燃烧充分，生成较多的CO2，几乎在短时间内就弥漫了厂房的上半层空间，图4.2可以看出，厂房的大部分空间已经弥漫了浓度较高的CO2，并且在生成CO2的同时消耗了大量的氧气，CO2对人体的危害主要是窒息作用。

结论

采用专业化计算流体力学软件FLUENT对工业厂房的煤气泄漏火灾进行了模拟，把火灾数值模拟技术应用于实际，实现了火场中的物理量，如温度、生成物组分二氧化碳浓度随泄漏时间变化的直观显示，为厂房内危险区域的划分及灾害控制提供了参考依据，也为厂房结构空间的性能化设计和煤气泄漏火灾的防治提供了理论依据。

参考文献

[1]王福军.计算流体动力学分析[M].清华大学出版社，2004.

[2]韩占先，徐宝林，霍然等.火灾科学与消防工程[M].山东科学技术出版社，2001.

[3]霍然等.建筑火灾中烟气蔓延的动态显示[J].火灾科学，1995，Vol.4，No.3.

[4]范维澄，万跃鹏.流体及燃烧的模型与计算[M].北京：中国科学技术大学出版社，1992.

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所谓的流体力学，是一门专门研究像液体、气体等流体运动形态以及其运动规律和应用的学科。流体在力的作用下，其本身的物理性质会发生一定的变化，比如流体的固体壁面，流体和固体之间的相互作用，流体的压强、温度，还有流体的密度等等变量，都会发生变化。在选矿的过程中，有许多地方都会用到流体力学的知识，比如一些设备的设计，就是按照流体力学的原理来设计的，所以流体力学在选矿中起着极其重要的作用。本文就流体力学的特点做了详细的阐述，以及对流体力学在选矿中所存在的问题进行了深入的探讨。

前言

流体力学的发展起源于阿基米德，他是一位古希腊人，建立了液体平衡理论，在这个基础上，流体力学的运用才得以发展。而如今流体力学的应用范围越来越广泛，在空气动力学、电磁计算流体学、气液相流体学等方面都有十分重大的突破。

冶金和煤矿的生产都需要进行选矿，在工业生产上，选矿起着非常重要的作用。所谓选矿，就是通过化学或者是物理等方法把有用的矿物和无用的矿物分开，最终获取能够被生产中得以利用的矿物的过程。选择有用物料的方式分为两种情况。

一种是针对单体解离状态的，可以采用不同的选矿方法，把我们所需要的有用的矿物筛选出来；

另一种是针对不能达到单体解离状态的，这就需要将物料用机械破碎和磨碎的方法来取得当中的有用矿物。回看整个世界的选矿发展史，不难看出，流体力学在整个选矿发展过程中起到了不可替代的作用。众所周知，在工业生产上选矿的方法有很多，比如利用重力来进行筛除选矿，还有利用浮力来选矿等等。随着科技的发展，应用流体力学的原理来进行选矿，已经越来越普及，现在许多大型选矿机器都有流体力学的应用。也就是说，要进行高质量、高效率的选矿，流体力学的运用是必不可少的环节。

1.选矿中所用的设备

1.1旋流器

所谓的旋流器，在液体的分级分离中经常用到它。它的工作原理是利用离心的方法，使得不同质量不同密度的物质分离沉降。旋流器整体是一个圆锥形，采出来的矿浆通过管道进入旋流器内部，进入的矿浆在旋流器强大的离心力作用下，产生旋转。矿浆中含有不同质量和大小的矿物质颗粒，在旋流器离心力的作用下，大的矿物质颗粒和密度高的颗粒就被抛向旋流器内壁，在重力的作用下，这些颗粒靠着内壁逐渐的下沉，最后在旋流器的底部流出。而那些比较细小的颗粒和液体则经过溢流管口流出来。所以，矿浆经过旋流器，就把大的矿物颗粒和细小的矿物颗粒分离开来，离心力的筛选是很有效的，相比于重力场，它具有快速、高效、稳定分离的特点。目前的选矿旋流器主要有两种，

一是用水作为介质的水力旋流器，第二种就是专门配制的重介质液体，密度比水更高，以此作为介质的重介质旋流器。这两种旋流器的作用各不相同，

第一种是专门用于脱泥以及脱浮选药剂的水力旋流器，第二种是专门用于最后分选冶炼。旋流器的原理简单，但是液体在其内部的流动却是十分复杂的，这要涉及到流体力学中的湍流运动。所谓的湍流运动就是将流体的流动看作是一个三维空间内的运动，在这个三维空间内，任何一点的速度都可以分解成横向速度、纵向速度和切向速度。就是这样的运动特征和旋流器内复杂的边界，使得内部的流体力学并没有一定的规律可循，自然就没有具体的方法来研究，只能通过实际的测量来估算和分析。通过实际测量，旋流器内的运动实际是一个组合运动，它是通过自由涡和强制涡组合在一起共同形成的。在旋流器工作的时候，由于切向速度最大，导致了旋流器内壁的压力小于其中问的压力而形成一个负压区，空气从底部进入，旋流器中间区域就成了真空的空气柱。那些比较重的矿物质直接由旋流器内壁被分离了下来，从底部排出，那些轻的矿物质就由上面的口排出。

1.2浮选机

浮选矿物质实际就是利用浮力，将矿物质浮到水面来进行筛选。这就要求矿浆中必须要充满大量的气泡，必要时，还要在矿浆中添加一种捕收剂，这种药剂会作用在矿物质颗粒表面，使得矿粒的疏水性增加，利于捕收。有些矿粒是疏水性，而有些是亲水性的，疏水性的矿粒和产生的气泡相结合，由于浮力原因而浮出水面，那些清水性的矿粒则不会与气泡结合而下沉。产生气泡的方法有很多，一般采用机械搅拌和电解水来产生气泡。

1.3浮选柱

浮选柱也是一种专门用来选择矿物质的设备。浮选柱早在上世纪六十年代就开始应用，只不过由于气泡发生器设计的并不好，始终无法很好的产生气泡，就使得浮选柱并没有广泛的运用。浮选柱的气泡产生器位于柱体下端，矿物由上部倒入。其原理和上面介绍的浮选机差不多，也是通过重力和浮力的相互作用来实现矿粒的分离。所以气泡发生器才是浮选柱工作的关键所在，如果气泡发生器无法正常工作产生气泡，浮选柱也就无法分离矿物质。

2.流体力学在选矿设备中的应用

浮选机的工作原理是利用气泡产生的浮力和矿物质本身的重力实现矿粒分离，分离的过程中就需要大量的气泡，气泡发生器正是大量产生气泡的设备。通常我们都把气泡发生器分为两类，即外部发生器和内部发生器这两类。

外部气泡发生器也有两种，通常用的是气水喷射型。它是把压缩空气和水一起混合，通过喷头直接喷入浮选机内，再通过分流孔将水流分开，从而产生气泡。

顾名思义，内部气泡发生器是将有孔介质固定在浮选机内部，然后冲入空气，通过介质的孔向外喷出气泡。内部气泡发生器常常出现问题，原因在于有孔介质放在浮选机内部，很容易被矿粒堵塞和结垢，使浮选机无法正常工作，现在已经很少采用这种方法了。

上述两种气泡发生器都是以往一直被使用的。但毕竟它的结构太过复杂容易出现问题，而且能量消耗也不小。目前被广泛采用的是另一种更加先进的设备――微泡发生器。这种气泡发生器利用了流体力学的原理，首先流体在其内部分散开来，在后半段又重新成为连续相。微泡发生器动力消耗小，产生气泡效率高，矿化充分，而且使用寿命长，大大节省了维护费用。

目前较为先进的浮选机是德国制造的切向喷射浮选机，其也是利用流体力学的原理进行选料。它有两个槽室，一个收集精矿，一个用作分离室。矿浆沿着切线方向射入容器，从而产生旋转，和气泡结合的矿物质浮力大，向上运动。没有结合水的矿粒则向下沉降，最后通过底部排出。

篇7

关键词： 岩石变形岩土模型试验透明模型

中图分类号：F470.1 文献标识码：A

0 引言

地下岩体在施工过程中存在很多不确定性因素，由于这些风险无法用传统的经验公式法、理论计算法和数值模拟分析法进行求解，因此研究人员只有通过一些模型试验来进行类比推理。可以说，运用模型试验法来探索岩体内部的变形相对于其他方法来说比较直接有效。

1 传统的物理模型试验法

物理模型试验以实验力学为基础，作为一种研究手段，发挥了非常大的作用[1]，这种研究方法在模拟岩石的应力变化和分布情况、岩石结构的破坏情况以及发展变化等方面都非常有效[2]。

相似模型试验是在实验室内按相似原理制作与原型相似的模型，借助测试仪表观测模型内力学参数及其分布规律，利用在模型上研究的结果，借以推断原型中可能发生的力学现象以及岩体压力分布的规律，以便为岩土工程设计和施工方案的选择提供依据。这种研究方法直观且实验周期短，而且能够根据需要，通过固定某些参数，改变另一些参数来研究隧道围岩应力在空间和时间上的分布规律和变化情况，这在现场条件下是难以实现的。而且根据模型实验的结果，可以推断原型可能出现的力学现象与变形状态以及工程的稳定性与安全程度。

在岩土模型试验中，研究人员用来观察量测岩体内部变形的方法主要有在土体中预埋传感器或电阻应变片法、X-射线、γ-射线、计算机轴向断层扫描（CAT）和核磁共振成像（MRI）法、数字图像技术法及光学测量技术法等，但是这些方法都有一定的局限性，不能解决隧道模型内部变形过程可观测的问题。

2 数字照相变形量测技术

数字照相量测就是利用数码相机、数码摄像机、CCD摄像机、CT扫描、激光照相等图像采集手段，获得观测目标的数字图像后，再利用计算机数字图像处理与分析技术，对观测目标进行变形或特征识别分析的一种现代量测技术。

位移测量和模型内部变形情况是相似材料模型试验的主要观测内容，也是进一步研究模型内部力学形态的基础。土的变形测量通常有两种方式：（1）在模型边界处设置位移探头以测定某点的位移；（2）利用光学技术对整个研究区域的变形场进行非插入式测量。传统的测量方法有物理测量和机械测量，其缺点就是观测装置或者传感器安装比较麻烦、工作量大，而且采样点有限，只能测量土体块边界上的变形，随着数码产品的高性能化和计算机图像处理技术的不断发展，现在已经能够测量并展现土体内部的变形过程，数字照相量测技术也成为地下工程相似模型试验中越来越重要的测试手段。李元海[5]开发出了一套数字图像变形量测无标点分析软件PhotoInfor程序和后处理程序PostViewer，该项技术有助于研究岩土模型全程渐进性变形破坏过程。

数字照相量测技术可以帮助研究人员进一步认识土体的内部变形情况。在对岩体模型进行数字照相变形量测时，利用数码相机和激光切片试样可以获得土体内部清晰的变形图像。无损测量试样的变形是依靠由计算机、激光、CCD相机和帧存储器构成的光学系统获得的。或者，我们也可以利用激光成像，由土壤和激光共同作用来生成特别的散斑图，由两幅散斑图可以获得二维变形场，综合分析多个二维变形场即可获得岩土体的三维变形场。

3 透明材料模型试验法

透明岩体模型试验法克服了岩土体内部变形不可视的不足，实现了内部变形的可视化观测，这种方法不需要接触模型，因此排除了观测方法对实验结果的干扰，同时该试验方法较以往的光学观测实验而言更为便捷，测量准确度也得到了很大提高[6]。

自然土体由两部分组成：土颗粒和孔隙流体。在用透明材料进行模拟时需要分别选定性质相近的材料将两者进行合成，选择时为了保证合成材料的透明性，务必使两种透明材料的折射率近似相等。用来模拟土颗粒的材料必须满足以下两点要求：物理性质与自然土相近、具有一定的透明度。

模拟材料主要有无定型硅石粉末、无定型硅石凝胶和熔融石英砂。用来模拟孔隙流体的材料，必须满足以下几点要求：物理性质与孔隙流体相近、化学性质稳定且透明性良好，更为重要的一点是，这种模拟孔隙流体的材料务必具有与模拟土颗粒的材料相似的折射系数，而且不能与模拟土颗粒的材料发生反应。目前为止，孔隙流体的模拟材料主要有两种：（1）石蜡和白色矿物油混合而成，二者的重量比为1:1；（2）溴化钙和水混合而成，即所谓的卤水[7]。

吴明喜[9]用折射率为1.458、粒径为0.1-1mm的熔融石英砂模拟砂土颗粒，用浓度为75.5%的溴化钙水溶液模拟孔隙流体，根据石英砂的折射率采用折射率-浓度法配制与石英砂相同折射率的溴化钙溶液，然后将石英砂溶解在溴化钙溶液中并进行真空排气得到透明土试样，对试样进行三轴压缩试验。研究结果表明，该法得到的砂土试样具有良好的透明度，当不同应力作用其上时，该合成砂土与自然砂土的应力应变特征相近，可在某种程度上模拟砂土的岩土特征。

许国安[10]选用液体石蜡与正十三烷按质量比0.85混合而成的溶液模拟孔隙流体，用细度为300目的硅石凝胶模拟土颗粒，将硅胶粉溶解在混合溶液中并进行真空排气得到透明土试样。对试样进行三轴试验，测定了固结压力不同时透明材料的相关力学参数。

用透明材料来模拟岩体，同时结合数字照相量测系统对岩体内部的变形进行观测分析，这样可以更加方便和形象地得到外界荷载作用下岩体内部渐进变化情况，从而弥补常规岩体相似材料的不透明性缺点，可为岩土工程施工的可视化试验研究提供一定的帮助。因此，借助于透明相似材料和数字照相量测方法以及相似模型试验技术对隧道围岩变形破裂规律进行试验研究具有一定的学术价值，也会对实际工程有一定的指导意义。

4 研究不足

由于透明材料的特殊性，其强度有一定上限，合成的透明材料只能模拟软岩的性质，暂时无法模拟硬岩。

合成的透明材料颗粒之间的粘结力不够，与实际情况有一定差距。

透明岩体的透明度有限，实验过程中对外界环境要求较高。

参考文献：

徐挺.相似方法及其引用[M].北京：机械工业出版社，1995.

赵文，谢强，詹志锋.北盘江大桥岸坡位移特征模型试验研究[J].四川大学学报，2002，34（4）：60-63.

吴明喜.人工合成透明砂土及其三轴试验研究[D].大连理工大学，2006.

许国安.深部巷道围岩变形损伤机理及破裂演化规律研究[D].中国矿业大学，2011.

李元海，靖洪文，曾庆有，等.岩土工程数字照相量测软件系统研发与应用[J].岩石力学与工程学报，2006，25（增刊2）：3859-3866.

隋旺华，高岳，LIU Jin-yuan.透明土实验技术现状与展望[J].煤炭学报，2011，36（4）：577-582.

王秀华，宰金珉，蒋刚，陈亚东.用于透视土体内部变形的透明材料的研究[J].常州工学院学报，2008，21：270-273.

佘跃心.基于透明介质和颗粒图像技术的土体变形测量研究进展[J].勘察科学技术，2005，（6）：7-10.

篇8

关键词：储层砂岩；出砂；三维颗粒流程序；力学响应；不同物性

中图分类号：TU45

文献标志码：A

文章编号：16744764（2014）02002807

Abstract：The reservoir sandstone is the sedimentary rock with many cemented sand particles. The different physical property of the reservoir even in the same area results in different mechanical response and sand production of the sandstone. Taking two types of the reservoir sandstones as research subjects， a numerical model based on 3Dimensional Particlebased Distinct Element （PFC3D） under cylindrical coordinate system was used to simulate the micromicro response of the sandstone considering the given confining pressure and the oil flow rate. Meanwhile， the sanding initiation and the process of the development were analyzed. The macro stress indicated that the reservoir sandstones with weaker cemented sand particles and less percent of the cemented materials would yield and fail more easily， the sand production was initiated more easily as well. Meanwhile， the stress of the parallel bonds indicated that the reservoir sandstones with granule and less cemented materials dislodged from the sandstone more easily， and the force on the particle contact was larger and the sandstone failure was more serious.Hence， the probability of the dislodged particles flowing into the wellbore was also much more. In addition， the particle displacement and rotation indicated that the physical property of the sandstone played a significant influence on the mechanical response and the sand production， the results also agreed with the above results. Therefore， the sand mechanical response and sand production of reservoir sandstone are both different due to different physical property of the reservoir. As a result， the reliable measures of the sand prediction and sand control will be adopted based on the reservoir physical property and conditions.

Key words：reservoir sandstone； sand production； 3Dimensional particlebased distinct element； mechanical response； different physical property

储层开采过程中，油井出砂与产能提高的平衡问题一直受到不少学者和工程人员的关注，解决该课题对石油的可持续发展具有重要的实践意义。目前，随着油藏勘探难度的增大，优质储量的减少，不同物性特征的砂岩储层陆续投入开发。不同物性的储层由于沉积时间、埋深、岩性、砂岩颗粒的粒度分布、砂岩颗粒的形状和排列以及砂岩颗粒间的黏结物质等存在差异，直接影响着砂岩的受力性能，间接干扰了油藏开采中的油井出砂对生产产能的作用效应。由此可见，出砂机理的研究[1]能提供有效的出砂预测和防砂措施，具有重要的实践价值。但不同物性的储层即使在相同的赋存环境中，也会出现不同的出砂率和出砂量，文献[25]基于室内试验和理论分析了储层的物性特征，其结果表明储层物性的差异形成不同的岩石内部结构，砂岩颗粒在油藏流动过程中的运动轨迹就会有差异。与此同时，有些学者[67]分析了不同的颗粒形状和黏结物质对储层砂岩的孔隙率和渗透性的影响较大，为研究细观结构对储层岩石力学的影响提供了重要的技术手段。上述研究成果说明不同物性储层的组成结构不同，外力的扰动导致储层结构发生变化，岩层的力学响应不同，出砂机理也有较大的差异。因此，需要对不同物性储层的出砂机理进行研究，以解决出砂与产能提高之间的矛盾。

目前，关于出砂机理的研究主要基于室内试验、理论计算和数值分析。由于室内试验的局限性和理论分析的简化，目前的数值分析大多基于宏观力学理论，如汪绪刚[8]建立连续介质模型研究油井出砂，未能反映出砂过程中砂岩颗粒的运动特征。随着数值计算理论和计算机性能的提高，一些学者从细观角度研究砂岩颗粒的运动，如Papamichos等[9]、Jensen等[10]、Li等[1112]建立了笛卡尔坐标系下的出砂模型，描述二维达西渗流作用下的砂岩颗粒运动，未考虑颗粒间的胶结对砂岩颗粒运动的影响，但为细观角度研究砂岩出砂提供了重要的技术手段。

对于实际储层的射孔试验，基于笛卡尔坐标系模拟射孔的力学边界和渗流边界较复杂，为了提高计算结果的可靠性，基于刘先珊[1314]提出的三维颗粒流数值模型分析油藏开采过程中的砂岩力学响应。为了更准确地反映不同物性的储层对出砂的影响，主要考虑砂岩颗粒的粒径、粒度分布、颗粒间的胶结物质等不同的两种砂岩储层，在围压和油藏流速相同的情况下，模拟油藏流动过程中的流固耦合效应，分析砂岩的宏细观力学响应以及出砂的发生发展过程，其成果可为实际储层开采过程中的出砂预测和砂控优化提供新的研究思路。

1数值建模

模拟两种储层砂岩，基于射孔的特征建立射孔的物理模型，如图1所示，两个模型的几何尺寸为：外径75 mm，内径6 mm和高度12 mm。根据砂岩颗粒的分布曲线（如图2所示）生成砂岩颗粒，建立柱坐标系下的三维颗粒流数值模型[1314]，如图3所示的俯视图，两种储层的结构特性如表1所示。图2、图3的颗分曲线、颗粒分布图及表1的颗粒特性比较显示：第1种储层砂岩的粒径较小，均匀的粒径使得这些小颗粒的接触颗粒过少，外力作用下易成为“漂浮”颗粒，而第2种储层砂岩的粒径分布范围较大，初始孔隙率相对较大，外荷载作用下形成较为密实的状态；另外，第1种储层砂岩的胶结程度和胶结百分含量（采用胶结半径比α=RA表示，为胶结平均半径，RA为接触处颗粒中的较小半径）、胶结百分含量（采用颗粒胶结数/模型总接触数表示）均较低，说明砂岩颗粒间的黏结物质较少，且黏结性较差，同样的外力作用下胶结物质承担的应力更大，颗粒间的胶结物质更容易破坏，砂岩颗粒成为离散的颗粒，这些离散的颗粒成为出砂的几率更大。

由于储层砂岩是由砂岩颗粒胶结而成的沉积岩，颗粒间的胶结物质使得砂岩的受力不同于无黏结砂岩，数值计算中采用具有一定胶结程度的平行黏结模型[1314]来模拟储层砂岩的胶结特性。另外，油藏开采过程中，油藏的流动与砂岩颗粒之间相互作用，即流固耦合作用，该作用力对整个砂岩模型的受力产生重要的影响，数值计算中要重点模拟。数值计算中，基于图1设置上、下两个水平边界以及两个内外半径组合而成的环形边界，将整个砂岩模型划分为288个单元[1314]，计算参数如表1所示，其参数是对同尺寸的圆柱模型进行数值模拟，不断调整参数使之与试验曲线一致，如图4所示，两种储层砂岩显示数值计算结果与试验结果相吻合，其参数可作为后续分析。

2计算结果分析

对于砂岩储层，即使在相同的区域，由于地质构造的不同，其物性特征也会有差异，油藏开采过程中砂岩的力学响应不同，出砂的发生和发展过程也有差异。本文模拟了两种储层砂岩在围压10 MPa、油藏流速4 m/s时的宏细观力学响应，比较分析了两种储层砂岩的出砂特性。

2.1砂岩宏观力学特性的研究

射孔围压相同时，油藏流动对颗粒的作用力导致砂岩应力状态的改变，颗粒间的胶结越弱，越容易失去胶结而成为离散颗粒，并被流体携带形成出砂。图5比较了两种不同储层砂岩在相同围压和流速时的切向应力σθσro随r/Ri（r代表任意位置到射孔中心点的距离）的变化曲线。其结果显示两者的应力曲线差别较大，第1种储层砂岩相较于第2种砂岩的应力峰值较大，且峰值应力点对应的位置离射孔中心点较远，说明在相同的赋存环境中，油藏运动对第1种储层砂岩力学特性的影响较大。如表1所示第1种储层砂岩的粒径较小，与小粒径颗粒相接触的颗粒数较少，这些小粒径颗粒在外力作用下更容易成为离散颗粒；另外，第1种储层砂岩的胶结百分含量和胶结程度均较低，同样的外载环境中颗粒胶结的破坏更容易一些。对于本文砂岩赋存环境，围压相同时，初始时刻相同的油藏流速对两种砂岩颗粒的作用力是相同的，随着流固耦合的进行，由于第1种储层砂岩胶结物质的黏结性要差一些，胶结破坏更严重，颗粒的自由度较大，粒径较小的颗粒随流体进入射孔中，使得承担外力作用的颗粒数减少，砂岩的应力增大更多，整个砂岩模型对应的塑性区也更大一些。图5的结果表明，在相同的外界条件下，由于储层物性特征的不同，特别是砂岩颗粒间的胶结物质对砂岩力学响应的影响很大，由于颗粒间的弱胶结性，油藏的运动对颗粒的作用力更容易削弱颗粒的强度特性，颗粒间胶结破坏越严重，越容易在流体的作用下携带进入油井而形成出砂。因此，不同物性储层的出砂发生和发展过程有差异，实际的油藏开采中，即使是在同一区域，也会由于储层砂岩细观结构的不同导致出砂不同，因此不能一概而论，需要针对具体的储层出砂给出具体的出砂预测和防砂措施。

图6和图7的结果还可以通过分析整个砂岩的分区应力来解释。分区应力以已有计算结果为基础，区域内的颗粒应力加权平均后作为该区域的平均应力。图5和图6显示两种砂岩的塑性区距离射孔中心点距离大约18 mm和12 mm，可选择每个区域的厚度为3 mm，则将模型分成23个区域，如图8所示。分区数量对塑性区范围和砂岩受力特性无影响，但影响图10曲线的比较：分区太多，每个区域的应力增量相对较小，显示在图10中的应力曲线较接近，影响了不同材料响应曲线的比较，如第一种材料的塑性区距离中心点大约18 mm，每个区域的厚度若为1 mm，分区数量至少大于12个，才能获得如图10所示的塑性区附近的应力曲线；而分区太少，塑性区太小的储层力学响应曲线在图10中无法显示。

根据数值计算结果，建立图9～10来分析偏应力σθ-σr与平均应力p之间的关系，并与试验得到的屈服包络线和峰值包络线进行比较研究。图9显示相同的油藏流速条件下，第1种储层砂岩的偏应力曲线与屈服曲线相交更为容易，且当流速为5 m/s时，第1种储层砂岩已与峰值曲线相交，而第2种储层砂岩的偏应力曲线与屈服曲线和峰值曲线还比较远，砂岩破坏的几率较小。另外，图10描述了砂岩模型不同分区的偏应力分布，结果表明第1种储层砂岩与屈服曲线的相交更为容易，距离射孔中心18 mm的区域均为塑性区，与图5的结果一致，而第2种储层砂岩与屈服曲线相差较远，砂岩屈服破坏的可能性较小，塑性区也只位于油井附近，主要是流体携带离散颗粒到射孔附近，使得射孔堵塞而导致砂岩应力的增大，砂岩局部破坏。根据上述的偏应力变化规律可知，由于储层的物性特征不同，整个砂岩的屈服包络线和峰值包络线也有差异，对于砂岩颗粒胶结较弱和和胶结含量较少的储层，相同外力作用下的颗粒胶结破坏越严重，砂岩骨架破坏越严重，形成的出砂通道越多，离散颗粒被流体携带的可能性越大，出砂越多。

2.2砂岩细观力学特性的研究

上述砂岩的宏观应力图形说明了在围压和油藏运动的共同作用下，砂岩更容易发生剪切破坏，且胶结较弱的砂岩模型更容易破坏，砂岩颗粒从砂岩母体上剥离更容易，出砂量更多。为了更清晰地解释储层的出砂机理，本文从细观角度研究砂岩颗粒的力学特性。

图11和图12描述了砂岩颗粒粘结的平均张拉应力和剪应力的变化。两个图形均表明第1种储层砂岩的应力较大，说明油藏的运动对该储层砂岩应力的影响较大，主要在于该储层颗粒较小，与之连接的颗粒数较少，外力作用下成为自由颗粒的可能性要大；另外，该储层的胶结含量和胶结程度要小，其胶结物质的黏结性相比第2种储层要小，相同的外力作用下，第1种储层砂岩的胶结物质更容易破坏，并被流体携带至射孔内，能承担外力作用的砂岩颗粒逐渐减少，颗粒上的接触应力增强，则平行粘结上的应力增大较多。图12与图11比较可能，在砂岩模型相同的位置，黏结上的剪应力要比张拉应力大，在离射孔中心点较远的位置，剪应力仍然较大，说明第1种储层砂岩的屈服破坏主要取决于剪应力的状态，与前述的图9、图10相吻合。

图13和图14从细观角度描述了颗粒的位移。图13的结果可知射孔附近的砂岩颗粒位移较大，且第1种砂岩模型对应的位移要大一些。其结果同样说明第1种储层砂岩由于颗粒间的胶结性较差，相同的赋存环境中，砂岩受剪破坏更容易，离散的颗粒越多，则出砂几率越大。同时，图14描述了不同粒径的颗粒对应的平均位移，其结果说明直径越小的颗粒其位移值越大，且对于相同的砂岩粒径，第1种储存砂岩颗粒的位移要大，其结果同样说明粒径较小的颗粒周围接触的颗粒较少，颗粒与颗粒间的胶结性较差，砂岩更容易破坏，形成的颗粒运移通道更多，小尺寸颗粒更容易在这些通道中移动，出砂更容易。

另外，还分析了两种储层砂岩的颗粒转动，如图15所示。其结果显示第1种储层砂岩颗粒的转动较大，且转动较大值的范围大，而第2中砂岩颗粒转动较大值的范围小，只出现在油井附近，两者的比较说明第1种储层砂岩更容易出砂。其结果同样说明在外界条件相同时，储层物性对砂岩出砂的影响较大，由于第1种储层砂岩颗粒较小，且颗粒间的胶结性较弱，油藏流动对颗粒的拖曳力较大，应力增大使得砂岩屈服破坏范围加大，则颗粒间的平行粘结破坏就越多，失去胶结的砂岩颗粒也越多，被流体携带至油井的砂岩颗粒越多，与图13和图14描述的变化规律一致。

上述图形显示外界条件一定时，储层砂岩的物性特征不同表征的出砂力学响应不同。特别是对小粒径且胶结性较弱的储层砂岩，颗粒与颗粒较少的连接使得颗粒的自由度更大，且较差的胶结性使得砂岩更容易破坏，从砂岩母体上剥离的颗粒越多，砂岩骨架破坏越严重，则油藏携带砂岩颗粒至油井的几率越大。上述数值模拟反映了油藏开采过程中的砂岩力学响应和出砂特征，是可行的。在实际的油藏开采中，即使在同一区域，由于位置的不同也会导致储层物性特征的不同，出砂的发生和发展过程也会有差异，因此需要针对具体的储层开采进行出砂预测和防砂优化。

3结论

基于柱坐标系下的三维颗粒流数值模型，分析了不同物性的储层砂岩力学响应，据此分析出砂的发生和发展过程。

1）砂岩的宏观应力结果显示油藏开采过程中，颗粒较小且胶结性较差的第1种储层砂岩应力变化更明显，且峰值应力和塑性区也较大。其结果表明油藏的运动对该储层的干扰较大，对颗粒产生的拖曳力较大，颗粒胶结破坏多，砂岩骨架破坏严重，形成的通道越多，离散颗粒在这些通道中的移动更容易，出砂几率较大。

2）砂岩模型的细观力学图形描述了砂岩黏结应力的变化以及颗粒的位移和转动。其结果说明第1种储层砂岩的应力较大，且运动更剧烈。主要在于第1种储层的颗粒较小，胶结性较差，油藏运动中颗粒胶结物质破坏严重，从砂岩母体上剥离的颗粒增多，增大了被油藏携带进入油井的几率。

上述研究结果表明，对于复杂赋存环境下的油藏开采，需要针对储层物性特征的差异进行出砂机理分析，才能提出有效的出砂预测和防砂优化方法，以实时改善油藏的开发效果。

参考文献：

[1]范小军， 黄勇， 厚东琳， 等. 储层物性与产能的关系以元坝长兴组礁滩相储层为例[J]. 天然气技术与经济， 2011，5（4）： 2932.

[2]吴斌， 王兴志， 张帆，等. 川北地区飞仙关组储层特征及其主控因素[J]. 现代地质， 2012，26（1）： 168174.

[3]梁旭， 邓宏文， 秦雁群，等. 大庆长垣泉三、四段扶余油层储层特征与主控因素分析[J]. 特种油气藏， 2012， 19（1）：5861.

[4]李彬， 贺凯， 何治亮，等. 准东地区石炭系风化壳储层特征及影响因素[J]. 石油天然气学报，2012， 34（1）： 2024.

[5]李娇娜， 卢双舫， 郝爱萍. 胜利油区车古20潜山储层特征及储层评价[J]. 复杂油气藏， 2012， 5（1）： 15：18.

[6]周桦， 黄思静， 兰叶芳. 华庆地区长油层组黏土矿物类型及其对储层物性的影响[J]. 岩性油气藏， 2012， 24（3）： 6673.

[7]李龙， 鞠斌山， 江怀友，等. 油层微粒运移及其对储层物性的影响[J]. 中外能源， 2011， 16（12）：5054.

[8]汪绪刚， 邹洪岚， 李国诚， 等. 苏丹6 区稠油有限携砂冷采数值模拟及采油工艺技术[J]. 辽宁工程技术大学学报： 自然科学版， 2009， 28（Sup）： 131134.

[9]Papamichos E， Vardoulakis I， Tronvoll J， et al. Volumetric sand production model and experiment [J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics， 2001， 25（8）： 789808.

[10]Jensen R P， Preece D S， Cook B K， et al. Modeling sand production with darcyflow coupled with discrete elements [C]//Proceedings of the 10th International Conference on Computer Methods and Advances in Oeomechanics， Desai， EeL Tucson， Arizona， 2001： 819822.

[11]Li L， Holt R. Particle scale reservoir mechanics [J]. Oil and Gas Science and Technology， 2002，57（5）：525538.

[12]Li L， Papamichos E， Cerasi P. Investigation of sand production mechanics using DEM with fluid flow [C]//Eurock 2006： Multiphysics Coupling and Long Term Behavior in Rock Mechanics：241247.

篇9

流固耦合力学是一门比较新的力学边缘分支，是流体力学与固体力学二者相互交叉而生成的。它的研究对象是固体在流场作用下的各种行为以及固体变形或运动对流场的影响。流固耦合力学的重要特征是两相介质之间的相互作用：固体在流体动载荷作用下产生变形或运动，而固体的变形或运动又反过来影响到流场，从而改变流体载荷的分布和大小。流固耦合问题涉及流体和固体分析理论计算和其之间的耦合关系，所以流体力学构成流固耦合理论的基础，计算流体动力学则是关于流体的数值计算，而建立流体力学的有限元方程求解却极为困难，因此过去三十年人们一直在研究的流体数值分析的方法。流固耦合问题是强非线性的问题，求解方程的规模加大，还必须研究、借鉴有关计算机处理技术，如有限元并行算法的成果[2]。本文以搅拌机叶片系统作为研究对象，在SolidWorks中建立三维模型。在ANSYSWorkbench中进行单向流固耦合，其基本思路是：先计算流场和固体结构，然后通过中间平台交换耦合量。每次大迭代中，进行一次流体计算，并交换数据到固体计算，直到最终收敛。分析基本流程框架结构如下。

2搅拌机叶片系统前处理

Pro/E、I-Deas、UG和SolidWorks是目前比较流行的CAD软件，这些三维建模软件其实原理都是相同的，各有利弊。本文采用SolidWorks软件对搅拌机叶片系统进行三维实体模型绘制，SolidWorks适合于通用机械的三维设计,非常适合搅拌机这样的通用机械产品设计,具有与其他CAE、CAM软件的良好接口，避免了转换格式所造成的信息丢失和模型缺损。在三维建模软件中,所建的三维模型完全尊重搅拌机叶片系统的原型，这样的优点是，模拟更加接近真实情况。完成建模后，因为SolidWorks软件和ANSYSWorkbench共享数据，可以直接相连接，即在SolidWorks软件主界面有ANSYSWorkbench菜单项，可直接启动ANSYSWorkbench12.0，模型导入后，一般不会发生曲面丢失、破面、形状变形等问题。从SolidWorks导入到ANSYSWorkbench的搅拌机叶片系统流固耦合三维模型如图2所示,内部为搅拌机叶片系统，外部为管状流体场，包括静流场和旋转流场，包裹着搅拌机叶片系统。ANSYSWorkbench工作允许添加自定义的模板和提供预先定义的自定义模板，如单向耦合分析和形变分析等。建立流固耦合分析，操作将Workbench12左侧的Toolbox内FSI:FluidFlow(CFX)>StaticStructural项直接拖到右边的A2栏内即可。ANSYSWorkbench里面划分网格可选取系统默认值，不需要操作者去选择，只要控制网格划分方法和有限元单元尺寸，模型局部也可以细化，这比ANSYS的经典界面方便很多，而且复杂模型网格质量也比较好。对于旋转叶片的网格，需要对其局部的网格进行细化，以使计算结果更加精准。一般来说，叶片和流场的网格是一起被划分的，但可以分开划分进行尺寸设定，本文所举的例子是流固耦合分析，流体场尺寸远远大于叶片的尺寸，这样设置的原因也是为了能够更加真实地模拟流体场和加快分析计算速度。为便于后期的CFX操作和流固藕合分析，故对相关而先对有限元模型各表面进行命名。网格划分完毕，最后得有限元模型有190952个单元和35113个节点，有限元模型。

3CFX流场分析

CFX软件主要包括三个部分：前处理模块（CFX-Pre）、求解模块（CFX-Solver）和后处理模块（CFX-Post）。CFX-Pre主要用于定义物理模型、材料属性、边界条件、初始条件和求解参数等，树形结构方便用户修改参数；CFX-Solver为求解问题所有变量的整个过程，输入文件有CFX-Pre生成，特别地，该solver采用耦合求解器，比传统分离求解器需要更少的求解步数就能达到收敛，另外，CFX-solver还有一个控制管理计算任务的manager，方便用户管理作业。CFX-Post可以将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量等方式显示，也可以将计算结果以图表、曲线的形式显示。用CFX对流场进行数值模拟，流场的设置主要是对水的性质进行设置，例如温度、密度、传热系数等等。本例所选的是k-Epsilon流体方程模型，室温条件和isothermal热传递模式。然后给定流场边界条件：入口速度为0；出口因为是与空气相同，通常这里的压强都设置成相对大气的压强；其它为固定的无滑移壁面(wall)[3]。叶片部分设置的边界条件：本例中，叶片在风场中模拟的转速为80r/min；叶片的固体属性。在CFX里，叶片表面设置成流固耦合接触面（interface），这样就更能符合实际，模拟出其固有属性。在获得CFX流场数值分析的结果后，如图4所示，可以发现搅拌机旋转叶片附近的速度变化，最高变为8.7m/s，叶片正面的压强值比背面的要大很多，其最大压强为1234pa。

4结构静力分析

依据在ANSYSWorkbench中建立的CAD模型（如图3所示），在StaticStructural中定义材料性质，密度7800kg/m^3、泊松比0.3和弹性模量为207GPa；更新网格。添加边界条件，添加搅拌机的支架顶部为固定约束，添加CFX得出的瞬态压强载荷[4]。计算结果如图5、图6所示，由于压应力场相对较小，搅拌机叶片最大应力发生在叶片前端内侧边缘处（中部偏下），其最大值为40.7MPa,远低于钢材的屈服强度。根据以上计算分析，机身强度符合要求。这样的分析结果，可以让我们对叶片结构进行优化设计，在后面的设计中对叶片加筋板，起到稳定加固叶片结构的作用。此外，在StaticStructural的分析基础上，ANSYSWorkbench还可以进行模态分析(即振动分析)，对叶片的振行进行分析，得出其固有频率和相应振型，对叶片结构进行更深入的分析[5]。

篇10

数学模型：1）控制方程：根据不可压缩黏性流体非定常流动的Navier-Stokes方程，选用kε双方程湍流模型对环冷机内流动换热规律进行研究。可以将环冷机问题整体求解方程描述为：连续性方程：()=0+jjuxρτρ(1)动量传输方程：ijiijijjigfxuuxu+=+(ρ)(ρ)pτ(2)式中：ρ为流体密度；ui为流体在i方向的速度；τ为冷却时间；pij为表面压力矢量，包括静压力和流体黏性压力；gi为作用于单位体积流体在i方向的体积力；fi为作用于单位体积流体的反方向的阻力；u为床层颗粒间隙内的气体流速，由表观流速ub与空隙率ε决定：u=ub/ε。采用压力沿床层线性分布的假设，利用Darcy定律计算气体的表观流速：()bL0u=Kp/z=Kpp其中，pL和p0分别为台车进出口压力；渗透系数fK=k/μ，渗透率k用Ergun关系式[6]计算：k=/[150/(1)]322εεpd。能量方程利用局部非热力学平衡换热理论，建立气固两相换热双方程，使用编写的用户自定义函数(UDF)进行数值计算。2）局部非热平衡能量双方程：Coberly等[7]采用局部热力学平衡方程对二维伪均质模型进行研究，忽略了气固两相之间的温差；DeWasch等[89]研究表明，只有当气固两相温差很小且毕渥数小于0.05时，局部热力学平衡方程可以用于简化的一维和二维模型，但不能满足环冷机中的气固换热问题。Wakao等[10]研究表明：气固两相热容和热导率相差较大时，各相局部温度变化率会明显不同。本研究将气相温度Tf和固相温度Ts作为2个独立的变量，分别表征同一特征单元每相的热状态，把多孔结构内的传热视为两相之间的传热，得到通用方程组[1112]如式(4)和(5)所示：固相：=τερss(1)()Tc(1)()(1)()sssvsfελT+εqhTT(4)气相：==ffff()(c)uTTcppρτερ()()fffvsfελT+εq+hTT(5)式中，qs和qf分别为固相和气相发热源项；Tf为气相温度；Ts为固相温度；hv和h分别为固相骨架与流动介质之间的单位体积与单位表面积的对流传热系数。hv可由Achenbach准则关系式确定：ph6h(1ε)/dv=(6)h由下式确定[13]：1/31/2fNuhd/2.00.6PrRep=λ=+ffPrcv/λp=，ffReεdu/λp=(7)其中：Nu，Pr和Re分别为始塞尔数，气体普朗特数和雷诺数；vf为流体的运动黏性系数；uf为流体速度；λf为流体热导率；cp为流体的比热容。4）边界条件与初始条件：边界条件：Logtenberg等[4,14]认为应将环冷机篦板壁面边界条件设为流体温度。流体出口温度与压力均满足第二类边界条件：0f=zT，=0zp。初始条件：当环冷机运行在余热循环利用区时(即τ＜τ循环)，气相温度Tf为循环风温，固相温度Ts为常数；当环冷机运行在非循环区时(即τ＞τ循环)，Tf为自然风温。

模型结果验证

考虑到现场测试条件较艰苦，且固相与气相之间较强的对流换热会对环冷机台车内物理场测量产生很大的影响，故文献[15]选用环冷机处于不同时刻时，出口空气平均温度的现场测试值与仿真结果数值对本研究所采用模型的正确性进行验证。从表1可以看出，在数值仿真结果和测试结果之间存在不同程度的误差。该误差主要来源于：(1)测试期间环冷机操作参数的波动；(2)测试时在烟罩上进行了开孔，对环冷机内的温度场、速度场和压力场产生了干扰破坏作用；(3)环冷机存在漏风。但是，环冷机出口空气温度的数值仿真结果与实验测试结果的最大误差小于10%，环冷机内烧结矿的温度分布与实际趋势也基本一致，因此，可以认为本文所建立的模型及计算结果是可靠的。

计算结果与分析

由环冷机对流换热控制方程可以看出：物料粒径、空隙率、进风温度、进风速度、料层高度等都会对环冷机温度场、流场分布产生影响[15]。本文主要研究不同固相颗粒粒径对余热利用量的影响，3种粒径的物料沿台车高度方向按粒径从小到大的顺序布置于上、中、下3层，试验工况见表2（略）。

1）温度场分布：冷却时间为581s时，环冷机内物料温度如图2所示。由图2可见：经过分层布料工艺后，环冷机内出现高温区与低温区，除工况Ⅵ(体积换热系数按料层高度由大向小分布)外，其余工况均有明显的高、低温区交错分布现象。环冷机下层物料均能得到很好的冷却，但在工况Ⅰ，Ⅱ，Ⅴ中，环冷机中层或上层靠近壁面的区域出现部分高温区域，这3种工况粒径配置的共同点为：中层向上层过渡时，物料粒径均减小，即流体自中层向上层流动时，所受到的阻力增加，于是流体更多从中间区域流出，壁面区域的物料由于冷却不充分而出现高温区。工况Ⅲ和Ⅵ上层物料粒径最大，故换热效果较差，出现较明显的高温区；工况Ⅲ和Ⅳ中层物料粒径最小，换热效果较好，故台车中层物料冷却效果最好；工况Ⅰ和Ⅳ下层物料粒径最大，但由于台车结构影响，下层流体的物理速度最大，气固两相温差最大，故换热效果较好。为反应台车内温度分布的均匀性，表3列出了环冷机不同截面处温度的标准差。由表3可以看出：工况Ⅰ和Ⅳ中的物料温度分布较均匀，有利于提高烧结矿冷却质量。环冷机不同工况下出口截面物料温度分布如图3所示。由图3可以看出：不同工况下的烧结物料在1500s之前冷却速度较快，整个循环过程中，物料温度随冷却时间呈指数形式减小。对于余热循环利用区出口空气的温度T，若选取无量纲温度()/()fsfT=TTTT作为空气的特征温度，定义τ=τ/(H/u)为特征冷却时间，其中，H为物料高度。图4所示为出口截面空气无量纲温度随时间的变化曲线。通过线性回归分析，特征温度随特征时间满足指数函数关系：τeBT=A(8)式中，A反映初始阶段特征温度随特征时间的变化速率；B反映整个冷却过程征温度随特征时间的变化速率。A与B随H/d及22Nu(1ε)H/d变化关系分别如图5和图6所示。由图5和6可以看出：拟合函数变量A随H/d线性变化，随22Nu(1ε)H/d对数变化；拟合函数变量B不随H/d变化。#p#分页标题#e#

2）流场分布：环冷机流场分布如图7所示。由图7可以看出：由于篦板自身的影响，流场在环冷机中的分布并不是完全对称的，流体更多从与篦板倾斜方向一致的区域流出；由于环冷机自身结构影响，流体会经历先收缩再向四周扩张的“8”字形趋势，这样易使中层与上层出现部分高温区；分层工艺之后与标准未分层工况的流场分布基本一致。综合以上特点，纵向布料时可以考虑将小粒径物料分布在环冷机四周。Leong等[3]研究结果表明：环冷机内流场分布与空隙率有关，空隙率对其影响主要表现在环冷机底部位置，与本试验结果一致。3）余热回收量：根据表2所示实验工况，考虑到温度对空气体积的影响以及进入台车空气质量守恒，以下基于定压质量热容进行余热回收量的计算。进风温度404K，风量569.4t/h。实验工况Ⅰ中余热利用量为1.519779×108kJ/h。同理可以算出其他工况时的余热量。标准工况中没有采用分层布料工艺。Jang等[16]研究表明，物料粒径与空隙率越小，换热系数越大，换热量越多。通过对余热回收量的分析可以得出：大粒径物料分布在下层，小粒径物料分布在中层更加有利于余热的回收利用；小粒径物料分布在下层，大粒径物料分布在中层不利于余热回收利用；采用分层布料工艺可以提高14%的余热利用量。

结论