混合流体

混合流体（精选三篇）

混合流体 篇1

随钻测井工具在井下工作过程中, 由于井下泥浆压力较大, 并混入一定量的空气, 在泥浆中产生压力较大的气泡, 形成一种气液混合流体, 这时要求仪器有较好的密封性能, 使泥浆不能侵入到仪器内部, 保证仪器的正常运行。一旦出现密封问题并产生泥浆泄漏, 仪器就会损坏甚至报废。

测井仪器在现场应用中, 出现过这样一种特殊的现象:仪器密封腔内被高压空气压迫变形, 但液体泥浆并没有泄漏进去, 经过检测, 仪器一切正常, 并没有被损坏。对于这种气液混合流体的泄漏现象, 为了找出泄漏原因, 提高仪器的密封性能, 排除隐患, 需要从液体和气体的物理性质出发, 分析和比较这两种流体的相关特性, 确定其产生的原因及过程, 并提出相应的改进措施。

2 液体和气体的基本特性及其流动特征

2.1 粘性

粘性是流体在受到外部剪切力作用时发生变形, 内部相应产生对变形的抵抗, 并以内摩擦的形式表现出来的性质, 液体在有相对运动时都要产生内摩擦力。

粘性的大小用粘度表示, 粘度又分为动力粘度μ (m2/s) , 运动粘度ν, ν=μ/ρ。

水的运动粘度ν (cm2/s) 通常可用经验公式计算:

式中, t为水温, ℃。

流体粘度μ的数值随流体种类不同而不同, 并随压强、温度变化而变化。相同条件下, 液体的粘度大于气体的粘度。对常见的流体, 如水、气体等, μ值随压强的变化不大, 一般可忽略不计。

温度是影响粘度的主要因素。当温度升高时, 液体的粘度减小, 气体的粘度增加。内摩擦力的大小可由牛顿内摩擦定律确定, 即

τ-粘性切应力, 是单位面积上的内摩擦力, Pa。流体的切应力与剪切变形速率, 或角变形率成正比;

流体的切应力与动力粘度μ成正比;

对于平衡流体dμ/dy=0, 对于理想流体μ=0, 所以均不产生切应力, 即t=0。

式中:流速梯度dμ/dy代表流体微团的剪切变形速率。线性变化时, 即dμ/dy=U/Y;非线性变化时, dμ/dy即是μ对y求导。

空气的粘度受压力的影响很小, 一般可忽略不计。随温度的升高, 空气分子热运动加剧, 因此, 空气的粘度随温度的升高而略有增加。粘度随温度的变化关系见表1。

根据以上分析, 由于气体的粘性比液体小得多, 气液混合流体在受到外力作用时, 气体易于移动和变形, 当工具密封部分出现一个极细小的通道时, 高压气体就很容易通过, 而液体由于粘性较大, 液体内部存在一定的内摩擦力, 液面外部细小的压力变化不足以使液体产生变形, 其形状和位置没有受到影响, 因而这种气液混合流体在气体通过的情况下, 液体不会从小孔流出而产生泄漏现象。

2.2 压缩性

液体不能承受拉力, 只能承受压力, 抵抗体积压缩变形, 当压力除去后又恢复原状, 消除变形, 压缩性亦可称之为弹性。

流体的压缩性在工程上往往用体积模量来表示。

体积模量是体积压缩率的倒数:

κ与K随温度和压强而变化, 但变化甚微。

说明: (a) K越大, 越不易被压缩, 当K→∞时, 表示该流体绝对不可压缩; (b) 流体的种类不同, 其κ和K值不同; (c) 同一种流体的κ和K值随温度、压强的变化而变化; (d) 在一定温度和中等压强下, 水的体积模量变化不大。

通常情况下, 我们认为液体是不可压缩的, 即认为液体的体积和密度是不随温度和压力的变化而变化的。

气体与液体和固体相比具有明显的压缩性和膨胀性。空气的体积较易随压力和温度的变化而变化。气体体积在外界作用下容易产生变化, 气体的可压缩性导致气压传动系统刚度差, 定位精度低。

反映气体流动规律的基本方程主要有连续性方程和能量方程。

(1) 连续性方程。当气体在管道中做稳定流动时, 同一时间流过每一通流断面的质量为一定值, 即为连续性方程

式中, qm-气体在管道中的质量流量, kg·m3/s;ρ-流管的任意截面上流体的密度, kg/m3;A-流管的任意截面面积, m2;v-该截面上的平均流速, m/s。

由此方程可得, 气体通道截面积减小, 气体流速变大。

(2) 伯努利方程 (能量方程) 。在流管的任意截面上, 对于可压缩气体绝热过程有

如果在两通流断面1、2之间有流体机械对气体做功供以能量Ek时, 则绝热过程能量方程变为

式中, p1, ρ1, v1-分别为通流断面1的压力、密度和速度;p2, ρ2, v2-分别为通流断面2的压力、密度和速度;k-为绝热指数。

由此方程可得, 当Ek一定时, 气体流速变大, 则压力变小。

由以上分析, 液体基本上不可压缩, 而气体相对液体压缩性和膨胀性都很明显, 当气体通过工具密封部分出现一个极细小的通道时, 由于流道小, 横截面积减小, 根据以上气体状态方程可知, 气体流速就会变大。根据伯努利方程, 气体流速变大, 压力就会变小, 因而对密封腔内的电子元器件没有造成损坏。

3 液体的表面张力特性

3.1 表面张力特性

表面张力特性是由于液体表层分子之间的相互吸引, 使得液体表层形成拉紧收缩的趋势, 使得液体在表面薄层内能够承受微小拉力的特性。表面张力不仅存在于液体的自由表面上, 也存在于不相混合的两层液体之间的接触面上。

表面张力的方向和液面相切, 并和两部分的分界线垂直, 如果液面是平面, 表面张力就在这个平面上。如果液面是曲面, 表面张力就在这个曲面的切面上。

表面张力系数与液体性质有关, 与液面大小无关。

3.2 表面张力系数

液体表面张力的大小, 可以用表面张力系数来度量, 液面上单位长度所受的拉力称为表面张力系数, 用σ表示, σ的单位为N/m, 表面张力系数的大小与液体的性质、温度以及表面接触情况有关。

影响液体的表面张力的因素如下:

(1) 内因。无机液体的表面张力比有机液体的表面张力大得多;水的表面张力72.8mN/m (20℃) ;有机液体的表面张力都小于水;含氮、氧等元素的有机液体的表面张力较大;含F、Si的液体表面张力最小;分子量大表面张力大;如果含有无机盐, 表面张力比水大;水溶液如果含有有机物, 表面张力比水小。

(2) 外因。温度升高表面张力减小;压力和表面张力没有关系。

由于测井仪器工作中所用的泥浆主要由液相、固相和化学处理剂组成, 密度较大, 无机物较多, 所以表面张力较大, 当密封部分出现细小裂缝时, 由于表面张力的作用, 液体表面拉紧收缩, 外部小孔处虽然存在一定的单向压力, 但对整个液体表面不会产生任何影响, 仍处于一种平衡状态, 因此在气体通过的情况下, 液体不会从小孔流出而产生泄漏。

4 结论及改进措施

综上所述, 在气液混合流体内, 液体的粘度比气体大, 不易移动和变形, 液体可压缩性小, 气体可压缩性大, 当密封部分有细小孔时, 气体就很容易通过, 且压力变小, 液体具有本身所特有的表面张力特性, 表面拉紧收缩, 外部细小的孔对整个液体的平衡不会产生影响。由于以上原因, 当密封部分出现细小孔时, 液体不会流出, 而气体很容易通过, 产生泄漏, 但压力变小, 不会对密封腔内的器件造成损坏。

出现这种现象主要是由于密封面有裂纹和缺陷, 以及密封圈的表面划痕, 导致密封部分存在细小孔, 使气体从中通过, 而液体不受影响。虽然这种情形对仪器没有造成损坏, 但是随着仪器工作时间的延长, 密封部分破损就会越来越大, 继而造成液体泄漏。为了避免这种现象, 必须保证密封面光滑平整, 没有缺陷和裂纹, 密封圈要注意安装前的检查和及时更换, 确保密封部分不会留下细小通孔, 从而避免这种泄漏现象, 保证仪器的正常工作。

参考文献

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混合流体 篇2

剪切变稀型流体在搅拌槽中流动与混合特性数值模拟

使用计算流体力学(CFD)软件CFX对剪切变稀型流体混合特性进行了数值模拟.计算了剪切变稀型流体在不同转速下的`自由液面高度及表面示踪粒子运动时间,并与实验进行了比较.搅拌槽直径D=480 mm,搅拌桨为45°两斜叶桨,无挡板,以某催化剂胶体为工作物料.自由液位高度计算方法采用VOF模型,层流状态.时间计算方法采用表面示踪粒子运动法,并比较了牛顿流体与剪切变稀型流体表面示踪粒子运动时间的差异.

作 者：张丽丽 黄雄斌 ZHANG Li-li HUANG Xiong-bin  作者单位：北京化工大学化学工程学院,北京,100029 刊 名：河北科技大学学报  ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF HEBEI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 年，卷(期)： 29(3) 分类号：O357.5+2 关键词：搅拌槽   自由液面   表面示踪粒子运动时间   数值模拟  

混合流体 篇3

一、课程教学改革目标

沈阳工程学院,秉承“依托行业、面向市场,工程教育、职业取向,打造品牌、人民满意”的办学理念。定位于以服务地方经济建设,培养高素质工程应用型人才为目标的开放性、应用型本科院校。能源与动力工程专业以行业为背景,培养应用型工程技术人才,实现多层次的工程教育模式,这样的人才培养模式应鼓励创新教育教学方法,倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学。 那么课程的教学改革,应当鼓励探索融合教学新模式,因校因专业,结合开放课程、混合教学,线上与线下相结合等手段,提高人才培养质量。在《工程流体力学》课程中提出“交叉式”的教学过程,理论知识在实验室讲解,理论知识在网络教学平台讨论,以及online和face to face相结合等创新的教学手段提高了学生自主学习的能力。又提出“立体化”教学实践方式,将“教、学、做”合为一体,结合“基本技能训练”“综合设计训练”“大学生科技创新竞赛”等方式。两者相辅相成,共同促进教学资源、教学内容和教学手段更好地在教学过程中应用。

二、课程教学改革内容

教学改革内容如下图所示,包含对教学资源建设、教学内容、教学方法、教学过程、教学实践以及成绩考核的改革。

(一)以碎片化实现通用性的教学资源库建设

围绕以能源与动力工程为专业背景的工程流体力学课程, 建设精品课程、多媒体课件与素材、知识点微视频、教学案例等优质网络教学资源,大力开发数字化教学资源,实现优质教学资源的海量存储及共建共享,实现服务专业、课程建设、自主学习等目的,满足学院教育教学要求,同时兼顾行业、企业需求并支持终生教育,通过现代信息技术,实现为学生、教师和企业推送个性化需求资源的可能。我院的《工程流体力学》课程已建设成为辽宁省资源共享课,课程的建设内容集教学、练习、测验、扩展为一体,通过网络化教学平台来呈现,有课堂教学、实验实践教学和课外学习等多个环节。同时,此课程正在建设微课程资源库,使知识点达到碎片化的特点,以实现通用性的目的,达到按需求学习的目标。

(二)多元化教学内容满足产学研需求

按照以基本原理为基础,以丰富的案例和工程应用为重点, 以提高学生的创新能力和实践能力为核心的教学理念,全面革新教学内容,实现多元化。第一,与电力企业互动,实时把企业的工作、生产信息传送到课堂中,满足学生、教师、企业相关工作人员随时、随地、随需的产学研需求。第二,通过对已毕业学生的工作调研,实现反馈侧重教学重点;比如流体机械相关课程,技术工人对风机喘振、泵的汽蚀等现象能做出处理,却解释清楚产生原因;或者企业更侧重对机械超过质保期后的检修方面,所以我们把这些内容联系到《工程流体力学》的教学当中来,使学生可以学以致用,更长远地发展。第三,以电力行业为背景丰富教学内容,同时提高教师在行业里的科研能力;在讲授理论知识的同时引入工程应用实例,让理论内容有应用载体,工程实际有理论支撑,让学生感到学习理论的重要性,例如静力学基本方程的工程实际应用,可以举例,锅炉汽包的液位监测就是利用此原理等。

(三)“混合课堂”为主的教学方式提高学生自主学习能力

我国高等教育多年来一直在探讨“教师和学生谁应该是教学过程的主体”这一问题,很多教师即使感到应该在课堂教学中以学生为主,也苦于没有实现的途径只能暂时放弃,比如合班教学的情况,学生人数多,教学内容重,组织正常的教学活动还要担心时间问题,就更没有多余的时间留给师生进行互动了,但多媒体、网络技术的运用为教学方法的改革提供了物质基础和技术保障。例如,近些年,各高校加大公共基础课环节,而对专业基础课和专业课进行了压缩,如《工程流体力学》由原来的80学时压缩到64学时,教师在有限的课堂时间内,“满堂灌”才能完成教学计划,学生处于被动接受地位,这种单一灌输式教学模式, 单一板书或者幻灯片的教学手段,都束缚了学生的自主学习意识。所以“以学生为主体,老师为主导”的混合课堂,可将教学方式转变为线上学习与线下讨论相结合,学生除了教材之外,可以不受时间和地点限制去学习丰富的在线教学内容,在线教学以知识点碎片化展开教学,改革后的课程将以某个知识点的精短片段为单位,而不是以课为单位,组建碎片知识点资源库,在碎片视频之间可以插入知识点考核,以强化刚刚讲过的内容,这种以微视频为主的课程资源建设模式,可以提高学生学习的兴趣和效率。比如,静力学中的帕斯卡原理,可单独作为一个知识点片段,深度讲解,并结合小练习,加强学生对重点知识点的掌握。 同时采用多形式的课堂教学方法,如问题式引导式教学、开放讨论式教学、合作教学、案例教学等,增加学生的参与性与师生的互动性,实现面授教学与在线教学的互补,培养学生的自主学习能力。

(四)教学过程中采取“交叉式”教学方式

“交叉式”教学手段:实现网络、课堂、实验室相辅相成的理论课程的“交叉式”教学手段,实现理论从实践中来,再到实践中去,促进理论与实际的更好结合。第一,online和face to face,课堂外,学生结合网络教学平台、虚拟实验室,微课视频资源库等的线上自主学习,教师通过在线测试,对学生学习情况形成反馈,线下师生在传统教室、实验室、企业或公司,通过师生间的讨论探究与具体实践,达到《工程流体力学》专业知识信息化,提高专业技能,培养能力素质与情感的目的。第二,实验室教学,课堂理论讲授在实验室进行,如果教学内容比较抽象又与工程实际结合紧密,可在实验室进行理论教学。例如,流体绕流翼型的边界层问题,只用PPT单一去讲,学生很难理解,就可以校园内的风机实物叶片进行说明,或者结合飞机起飞过程中升力的产生原理,也可通过实验让学生理解绕流翼型的边界层这一知识点。 这些都会增加学生的好奇心,从而使学生的自主学习成为可能。

(五)“立体化”实践教学促进人才培养

“立体化”教学实践:第一,开设虚拟实验室,利用现代化的教学手段,开发虚拟实验环境及虚拟实验操作过程,更直接地提高了实践教学和技能培养。本院已完成工程流体力学的四个基础实验的虚拟实验室建设,正在实践过程中,学生反响积极。第二,开设验证型和设计性实验,主要培养学生的仪器操作能力、 观察能力,巩固基础课程知识。也培养了学生数值计算、计算机编程等能力,整体上提高了学生实践与创新的手段和能力。第三,“大学生创新实验”项目竞赛,以开发项目为动力,在教师指导下,学生进行自我设计,培养学生知识融会贯通能力、综合分析能力、探索与创新能力。“立体化”教学实践集“教、学、做”为一体,对教学内容进行了深化和拓宽。

(六)成绩考核机制保障教学质量

工程流体力学作为工科课程,考察的不是学生记忆公式的能力,而是要学生掌握在具体的实际问题中解决问题、分析问题的能力。在混合课堂教学模式中,采取在线测试、试卷库、教学跟踪信息、自评与互评相结合的考试机制,并通过教师的引导,给每个学生都有能考取好成绩的希望,课程结束后能够好好梳理一下这门课程所学过的知识,培养掌握重点,解析难点的能力, 这是考试的最终目的。

三、结论

一是教学改革是教与学的同步改革,实现“以学生为主体, 老师为主导”的课堂角色转换。教师由过去以自身为中心的讲授式模式转换为以学习者为中心、强调学习者讨论式、参与式、探究式的教学方法。

二是混合教学是教师提高教学质量,学生提高自主学习能力的有效方式。

三是在线课程的知识点碎片化,实现工程流体力学这门课程对各专业、各层次的通用性。

四是“交叉式”教学过程,“立体化”实践教学,实现理论从实践中来,再到实践中去,促进理论与实际的更好结合。