【技术实现步骤摘要】
：本专利技术涉及含蜡原油管输和储存领域中研究蜡晶颗粒在不同剪切速率、温度等初始条件下的细观尺度结构演变技术，具体涉及的是基于cfd-dem模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法。
技术介绍
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技术介绍
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1、石油资源在国民经济中占有举足轻重的地位，根据我国油田现状，采出原油中80％以上为含蜡原油，由于其易凝高黏的显著特性，在管输过程中易发生蜡沉积、管路堵塞、停输再启动困难等现象。因此，为了保证安全输送，通常会对含蜡原油进行改性处理，而改性机理的研究近年来受到众多学者的广泛关注。
2、随着研究的不断深入、技术水平的不断提高，更多学者尝试从微观机理的角度阐释含蜡原油复杂的流变特性演变规律，较为常用的分析手段即通过实验与显微观测相结合的方法，将蜡晶微观特征参数与宏观流变特性建立关联。现阶段虽然已具备流变-原位显微同步测量技术，实现了含蜡原油流动状态下蜡晶颗粒动力学行为的研究，但由于显微拍摄条件的限制，二维的显微图像并不能完整的展现出蜡晶及其絮凝体的三维网络结构，蜡晶间的相互作用变化也无法直接通过接触力变化进行定量表征。
技术实现思路
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技术实现思路
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1、本专利技术的目的是基于cfd-dem模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，这种基于cfd-dem模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法用于解决目前含蜡原油流动状态下,蜡晶间的相互作用变化也无法直接通过接触力变化进行定量表征的问题。
2、本专利技术解决其技术问题所采用的技术
3、步骤一：构建流体域，确定数值模拟区域参数，数值模拟区域参数包括模型尺寸和间隙宽度，建立流体域边界；
4、步骤二：通过实验测量手段获取液态烃与蜡晶颗粒的物性参数，确定含蜡原油数值模拟的基本物性参数，液态烃参数包括密度、黏度；蜡晶颗粒参数包括密度、粒径、质量分数、泊松比、杨氏模量、哈梅克常数和zeta电势；
5、步骤三：基于cfd-dem耦合理论与非解流耦合方法，采用结构化网格对构建的流体域进行网格划分，根据蜡晶颗粒尺寸以及网格质量对网格尺寸进行调整；
6、步骤四：采用有限体积法对流体连续性方程、动量方程进行求解；通过控制转子剪切速率，构建库埃特层流流场；通过监测转子所受力矩得到体系的表观黏度；
7、步骤五：将蜡晶颗粒随机注入流体域内部，通过koch-hill曳力模型将流场信息传递给颗粒，实现流体-颗粒相互作用；基于离散单元法对颗粒运动方程进行求解；采用软球模型，计算颗粒之间的接触作用，引入范德华力、静电斥力等分子间相互作用力，模拟含蜡原油中蜡晶颗粒的黏附、聚集行为；再通过耦合文件将颗粒信息传递给流场，完成一次固-液两相耦合运算的循环，实现颗粒-流体、流体-颗粒、颗粒-颗粒相互作用的四向耦合，实现剪切作用下含蜡原油中蜡晶颗粒动力学行为演变的数值模拟；
8、步骤六：提取蜡晶颗粒间的接触矢量，构建含蜡原油细观尺度接触网络；通过对含蜡原油细观尺度接触网络的二次处理，使接触矢量能够根据接触力大小调整粗细，得到力链网络结构，筛选出强、弱力链。
9、上述方案步骤四中考虑固相颗粒与流体的相互作用，将固-液两相动量交换源项引入navier-stokes方程之中，其连续性方程、动量方程如下：
10、连续性方程：
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12、动量方程：
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14、式中：εf—液相体积分数；t—时间，s；ρf—液相密度，kg/m3；uf—液相流速，m/s；p—压力，pa；τ—流体应力张量；g—重力加速度，m/s2；—固-液两相动量交换源项，n/m3。
15、上述方案中步骤五中曳力模型、颗粒运动方程及接触模型如下：
16、曳力模型：
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18、颗粒运动方程：
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20、接触模型：
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22、式中：vi—i颗粒体积，m3；β—阻力引起的相间动量交换系数；εp—液相体积分数；vi—i颗粒速度，m/s；μf—流体动力黏度，pa·s；dp—i颗粒粒径，m；rep—颗粒雷诺数；mi—i颗粒质量，kg；t—时间，s；—i颗粒与j颗粒之间的接触力，n；—i颗粒与k颗粒之间的非接触力，n；fipf—i颗粒与流体的相互作用力，n；fig—i颗粒所受重力，n；ii—i颗粒转动惯量，kg·m2；ωi—i颗粒旋转角速度，rad/s；mij—i颗粒与j颗粒相互作用产生的力矩，n·m；mi,f—i颗粒受流体作用产生的力矩，n·m；kn—法向接触弹性系数；δnij—i颗粒与j颗粒的法向重叠量，m；γn—法向接触阻尼系数；vnij—i颗粒与j颗粒的法向相对速度，m/s；kt—切向接触弹性系数；δtij—i颗粒与j颗粒的切向重叠量，m；γt—切向接触阻尼系数；vtij—i颗粒与j颗粒的切向相对速度，m/s；evdw—范德瓦尔斯能，kj/mol；ah—哈梅克常数，j；ri—i颗粒半径，m；rj—j颗粒半径，m；r—粒子中心之间的分离距离，m；eedl—静电相互作用能，kj/mol；εε0—介电常数，f/m；ψi—i颗粒zeta电势，mv；ψj—j颗粒zeta电势，mv；κ—德拜长度，1/m。
23、上述方案步骤一中流体域为圆盘模型或圆环模型或长方体体模型或正方体模型；运动壁面与其对立面采用无滑移边界，其余边界采用周期边界。
24、上述方案步骤二中液态烃为反常点以上含蜡原油，密度为750-900kg/m3，黏度为2-50mpa·s；蜡晶颗粒的成分为石蜡，密度为880-930kg/m3，泊松比为0.3-0.4，杨氏模量为20-50mpa，粒径、质量分数、哈梅克常数以及zeta电势根据温度、胶质、沥青质含量确定。
25、上述方案步骤四采用piso算法对动量方程进行求解，控制转子剪切速率时，通过自编辑函数实现剪切速率线性变化。
26、上述方案步骤五中曳力模型通过单颗粒沉降数值模拟，对比不同曳力模型下颗粒的最终沉降速度与经验公式的相对误差进行选定。
27、有益效果：
28、1、本专利技术基于cfd-dem耦合理论提出了针对含蜡原油中蜡晶颗粒动力学行为演变的数值模拟方法，能够实现含蜡原油胶凝过程蜡晶及其絮凝体微观结构演变的三维可视化处理。
29、2、本专利技术能够绘制含蜡原油在细观尺度下的力链网络结构，可通过强、弱力链数量、接触力大小等定量结果对蜡晶间的相互作用进行定量表征。
30、3、本专利技术考虑了范德华力及静电斥力等分子间相互作用力的影响，能够模拟蜡晶颗粒间非接触黏附作用，并且可以通过改变zeta电势实现电场改性前后蜡晶颗粒的相互作用变化以及动力学行为演变的研究。
31、4、本专利技术能够还原剪切作用下含蜡原油中蜡晶颗粒的微观动力学行为演变，并能通过改变蜡晶形态、数量、分子间作用力以及转子剪切速率等本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于CFD-DEM模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于CFD-DEM模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于：步骤四中考虑固相颗粒与流体的相互作用，将固-液两相动量交换源项引入Navier-Stokes方程之中，其连续性方程、动量方程如下：
3.根据权利要求2所述的基于CFD-DEM模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于：步骤五中曳力模型、颗粒运动方程及接触模型如下：
4.根据权利要求3所述的基于CFD-DEM模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于：步骤一中流体域为圆盘模型或圆环模型或长方体体模型或正方体模型；运动壁面与其对立面采用无滑移边界，其余边界采用周期边界。
5.根据权利要求4所述的基于CFD-DEM模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于：步骤二中液态烃为反常点以上含蜡原油，密度为750-900kg/m3，黏度为2-50mPa·s；蜡晶颗粒的成分为石蜡，密度为880-930kg/m3，泊松比为0
6.根据权利要求5所述的基于CFD-DEM模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于：步骤四采用PISO算法对动量方程进行求解，控制转子剪切速率时，通过自编辑函数实现剪切速率线性变化。
7.根据权利要求6所述的基于CFD-DEM模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于：步骤五中曳力模型通过单颗粒沉降数值模拟，对比不同曳力模型下颗粒的最终沉降速度与经验公式的相对误差进行选定。
...【技术特征摘要】
1.一种基于cfd-dem模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的基于cfd-dem模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于：步骤四中考虑固相颗粒与流体的相互作用，将固-液两相动量交换源项引入navier-stokes方程之中，其连续性方程、动量方程如下：
3.根据权利要求2所述的基于cfd-dem模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于：步骤五中曳力模型、颗粒运动方程及接触模型如下：
4.根据权利要求3所述的基于cfd-dem模型的含蜡原油细观尺度力链网络结构表征方法，其特征在于：步骤一中流体域为圆盘模型或圆环模型或长方体体模型或正方体模型；运动壁面与其对立面采用无滑移边界，其余边界采用周期边界。
5.根据权利要求4所述的基于cf...
【专利技术属性】
技术研发人员：董航，赵健，马润泽，刘伟，郭男，张顺克，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：
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