多势场(火用)传递过程的理论研究及其工程应用

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本文是国家重点基础研究发展规划资助项目(973)“高效节能的关键科学问题”之研究任务“工程(火用)传递研究”(编号为G2000026307)的研究内容。以多势场(火用)传递复杂系统为主要研究对象,多势场协同作用机制为核心研究内容,强度量势场体系为研究载体,进行了建立多势场(火用)传递场协同唯象方程、定义(火用)传递系数的场影响因子等多势场(火用)传递过程的理论研究;并对油气储运工程中管道输送、稠油热驱、火烧注气井与油层的对流换热过程进行了(火用)传递的应用实例研究,为揭示、改善实际生产过程提供了许多新思路与新措施。由能的科学定义及热力学两条基本定律入手,探讨了焓和熵及(火用)、能量分析与(火用)分析、能量传递与(火用)传递等的辨证关系,澄清了(火用)传递的客观存在与学科归属等学术界有争议的问题,强调了(火用)传递因比能量传递更直接、深刻地揭示了实际过程的不可逆本质,而具有更深的内涵,同时也为分析、改进实际过程提供更多、更新、更有价值的新信息。通过阐述(火用)传递现象哲学意义上的普遍性与同一性,得出以势场为载体的(火用)传递研究思路。将现有的(火用)传递一般描述方法作以分析比较,并讨论了场协同强化传递过程研究与(火用)传递的联系,指出(火用)传递可以(火 用)为共同尺度、将多目标转化为单目标,以此新途径求解复杂的多场协同作用的工程问题。 依据能量、动量、质量的动力学传递规律,结合非平衡态热力学的相关理论,导出了适用于工程(火用)传递过程的多势场协同作用的唯象方程。在此基础上,定义了(火用)传递系数场影响因子的概念,可从“多场协同机制”和“单场作用权重”两个角度对多势场工程(火用)传递问题进行初步分析。在总结、归纳各类工程(火 用)传递的特点及分析目的的基础上,完善了分别适用于(火 用)转换过程、稳态(火 用)传递及非稳态(火 用)传递的评价准则,用以判别多场协同(火用)传递过程的主导势场,并提出该类工程问题(火用)传递分析的一般步骤,使理论研究与工程应用得到了有机的结合。建立了管道输送过程的(火 用)传递分析模型,并对输油管道、输气管道、掺热水管道进行了应用数值模拟,分析结果不仅可对管道输送过程主导势场(火 用)传递的时空变化规律进行描述,对温度场、压力场二势场的协同作用机制及个场权重作以合理解释,还提出了诸如增大压力可有效提高输油与输气管道的压(火 用)传递系数、减小径向温差可有效降低掺热水管道的热(火 用)传递系数等改进输送过程的技术途径。针对更为复杂的多场参与作用的物质驱替过程,本文以驱动(火 用)为统一特征项、势场的作用划分为前提,建立了此类过程场协同的(火 用)传递模型。基于该模型的稠油热驱机理研究,合理地阐明了高温降粘、以高压力梯度增大驱动力、实施高压力、低含水可减小驱动阻力等技术措施的热驱机制,较好地从理论上解释了其共同作用的结果,将导致加大驱动功率,抑或提高采油速率,甚至可能由增大较远的压力传递距离而提高采收率。 在建立火烧注气井等效热(火用)传递模型的基础上,依据不同空气流速、热流密度下井筒壁面处的测量温度,测算得到三种情况的热(火用)传递系数,并与相应的数值模拟的理论解加以比较,结果表明:二者随时间的变化趋势基本吻合,符合热力学第二定律的理论解释;等效热(火用)传递模型可用于描述火驱工程实践中热空气与油层的对流换热过程。
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