幂律流体偏心环空螺旋流紊流的PIV实验研究

在石油工业中,幂律流体在偏心环形空间内的螺旋流动极为普遍,紊流是最常见的流动状态之一。一般情况下,石油钻井中钻井液在钻杆、钻铤中的流动是紊流流动;钻井液在环空中的流动则有时是层流有时是紊流。尽管随着科学发展及工程应用的需要,极大地促进了紊流研究工作的进展,但由于紊流本身就是一种随机性较强的极为复杂的流动状态,再加上幂律模式的非线性、偏心环空的不对称性、螺旋流的复杂性以及流场测试技术的局限性,到目前为止,无论从理论上还是实验上,未曾有人研究过幂律流体偏心环空螺旋流的紊流流动,有些相关的工程问题还很难解决。粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,简称PIV)技术的出现为深入了解流场内部情况提供了有效的技术手段,因此本文开展了幂律流体偏心环空螺旋流紊流的PIV实验研究。 本文针对研究课题,建立了一套可调偏心度的垂直环空管道装置,应用PIV技术来研究幂律流体在环空管道内螺旋流动的紊流流动规律。分别对水和聚合物水溶液进行PIV实验,得到了内管静止和内管旋转时环空管道内的速度向量、流线、速度云图、及轴向速度分布情况;建立了新的流态判别方法——利用速度云图;并分析了轴向速度分布、压力梯度和流动状态的影响因素及影响规律;从速度云图中发现幂律流体偏心环空螺旋流紊流的特点及其发生的过程。 本文创新地提出将PIV技术应用于幂律流体偏心环空螺旋流紊流的研究是可行的,为以后其它流体流动规律的试验研究提供了思路,本文实验结果对理论研究及现场应用有一定的参考价值。