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Temporary plugging agent transport behavior within visualized multi-fracture created during TPDF in a horizontal well: An experimental study
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作者 Yu-Shi Zou Dian-Yu Li +4 位作者 Can Yang Yan-Chao Li Shi-Cheng Zhang Long-Qing Zou Xin-Fang Ma 《Petroleum Science》 2025年第9期3671-3687,共17页
Temporary plugging and diversion fracturing(TPDF)is widely used to promote the uniform and complex distribution of multi-clustered hydraulic fractures(HFs)in a horizontal well of the unconventional formations.However,... Temporary plugging and diversion fracturing(TPDF)is widely used to promote the uniform and complex distribution of multi-clustered hydraulic fractures(HFs)in a horizontal well of the unconventional formations.However,the migration behavior of temporary plugging agent(TPA),as a function of the concentration and particle size of TPA and cluster-perforation numbers,etc.,determining the effectiveness of this technique,remains unclear.Therefore,this study conducted innovatively a series of TPDF simulation experiments on transparent polymethyl methacrylate(PMMA)specimens(cubic block of 30 cm×30 cm×30 cm)to explore visually the migration behavior of TPA in multi-clustered HFs in a horizontal well.A laboratory hydraulic sandblasting perforation completion technique was implemented to simulate the multi-cluster perforations.All the distributions of wellbore,perforations,HFs,and TPA can be seen clearly inside the PMMA specimen post the experiment.The results show that there are four characteristic plugging positions for the TPA:mouth of HF,middle of HF,tip of HF,and the intersection of HFs.Small particle size TPA tends to migrate to the fracture tip for plugging,while large particle size TPA tends to plug at the fracture mouth.The migration of the TPA is influenced obviously by the morphology of the fracture wall.A smooth fracture wall is conducive to the migration of the TPA to the far end of HFs,but not conducive to generating the plugging zone and HF diversion.In contrast,a"leaf vein"fracture of rough wall is conducive to generating the plugging layer and the diversion of HFs,but not conducive to the migration of the TPA to the far end of HFs.The migration ability of TPA in a"shell"pattern is intermediate between the two above cases.Increasing TPA concentration can encourage TPA to migrate more quickly to the characteristic plugging position,and thereby to promote the creation of effective plugging and subsequently the multi-stage diversion of the HFs.Nevertheless,excessive concentration may cause the TPA to settle prematurely,affecting the propagation of the HFs to the far end.Increasing the number of clusters to a certain extent can encourage TPA to migrate into the HFs and form plugging,and promote the diversion.An evaluation system for the migration ability of granular TPA has been established,and it was calculated that when there is no plugging expectation target,the comprehensive migration ability of small particle size TPA is stronger than that of large particle size TPA.This research provides theoretical foundation for the optimization of temporary plugging parameters. 展开更多
关键词 Temporary plugging and diversion fracturing(tpdf) Polymethyl methacrylate(PMMA) Multi-cluster perforation Temporary plugging agent migration Visualization Plugging position
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A dual timescale model for micro-mixing and its application in LES-TPDF simulations of turbulent nonpremixed flames 被引量:13
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作者 Fang WANG Rui LIU +2 位作者 Li DOU Denghuan LIU Jie JIN 《Chinese Journal of Aeronautics》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第4期875-887,共13页
The numerical simulation of modern aero-engine combustion chamber needs accurate description of the interaction between turbulence and chemical reaction mechanism. The Large Eddy Simulation(LES) method with the Transp... The numerical simulation of modern aero-engine combustion chamber needs accurate description of the interaction between turbulence and chemical reaction mechanism. The Large Eddy Simulation(LES) method with the Transported Probability Density Function(TPDF) turbulence combustion model is promising in engineering applications. In flame region, the impact of chemical reaction should be considered in TPDF molecular mixing model. Based on pioneer research, three new TPDF turbulence-chemistry dual time scale molecular mixing models were proposed tentatively by adding the chemistry time scale in molecular mixing model for nonpremixed flame. The Aero-Engine Combustor Simulation Code(AECSC) which is based on LES-TPDF method was combined with the three new models. Then the Sandia laboratory's methane-air jet flames: Flame D and Flame E were simulated. Transient simulation results show that all the three new models can predict the instantaneous combustion flow pattern of the jet flames. Furthermore,the average scalar statistical results were compared with the experimental data. The simulation result of the new TPDF arithmetic mean modification model is the closest to the experimental data:the average error in Flame D is 7.6% and 6.6% in Flame E. The extinction and re-ignition phenomena of the jet flames especially Flame E were captured. The turbulence time scale and the chemistry time scale are in different order in the whole flow field. The dual time scale TPDF combustion model has ability to deal with both the turbulence effect and the chemistry reaction effect, as well as their interaction more accurately for nonpremixed flames. 展开更多
关键词 Dual time scale model Large eddy simulation Sandia methane-air jet flame tpdf molecular mixing model Turbulence combustion model
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Quantitative investigation of multi-fracture morphology during TPDF through true tri-axial fracturing experiments and CT scanning 被引量:9
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作者 Ming-Hui Li Fu-Jian Zhou +3 位作者 Jin-Jun Liu Li-Shan Yuan Guo-Peng Huang Bo Wang 《Petroleum Science》 SCIE CAS CSCD 2022年第4期1700-1717,共18页
Due to the reservoir heterogeneity and the stress shadow effect, multiple hydraulic fractures within one fracturing segment cannot be initiated simultaneously and propagate evenly, which will cause a low effectiveness... Due to the reservoir heterogeneity and the stress shadow effect, multiple hydraulic fractures within one fracturing segment cannot be initiated simultaneously and propagate evenly, which will cause a low effectiveness of reservoir stimulation. Temporary plugging and diverting fracturing(TPDF) is considered to be a potential uniform-stimulation method for creating multiple fractures simultaneously in the oilfield. However, the multi-fracture propagation morphology during TPDF is not clear now. The purpose of this study is to quantitatively investigate the multi-fracture propagation morphology during TPDF through true tri-axial fracturing experiments and CT scanning. Critical parameters such as fracture spacing, number of perforation clusters, the viscosity of fracturing fluid, and the in-situ stress have been investigated. The fracture geometry before and after diversion have been quantitively analyzed based on the two-dimensional CT slices and three-dimensional reconstruction method. The main conclusions are as follows:(1) When injecting the high viscosity fluid or perforating at the location with low in-situ stress, multiple hydraulic fractures would simultaneously propagate. Otherwise, only one hydraulic fracture was created during the initial fracturing stage(IFS) for most tests.(2) The perforation cluster effectiveness(PCE) has increased from 26.62% during the IFS to 88.86% after using diverters.(3) The diverted fracture volume has no apparent correlation with the pressure peak and peak frequency during the diversion fracturing stage(DFS) but is positively correlated with water-work.(4) Four types of plugging behavior in shale could be controlled by adjusting the diverter recipe and diverter injection time, and the plugging behavior includes plugging the natural fracture in the wellbore, plugging the previous hydraulic fractures, plugging the fracture tip and plugging the bedding. 展开更多
关键词 Hydraulic fracturing Temporary plugging and diverting fracturing(tpdf) Multiple fracture Tri-axial experiment CT scanning
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随机场TPDF在非结构网格平台的开发及检验
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作者 王方 杨兴峰 +3 位作者 方存 许笑颜 莫毅 高浩卜 《航空发动机》 北大核心 2023年第1期95-102,共8页
为实现对燃烧室内部燃烧过程的高精度数值模拟,增强航空发动机燃烧室研究手段,采用开源的非结构网格平台Saturne,开发可以耦合详细化学反应机理,高精度解析湍流燃烧过程的概率密度函数输运方程(TPDF)湍流燃烧模型。采用随机场方法求解T... 为实现对燃烧室内部燃烧过程的高精度数值模拟,增强航空发动机燃烧室研究手段,采用开源的非结构网格平台Saturne,开发可以耦合详细化学反应机理,高精度解析湍流燃烧过程的概率密度函数输运方程(TPDF)湍流燃烧模型。采用随机场方法求解TPDF方程,在原有程序基础上研发了TPDF程序模块及配合的加速算法等模拟单元,发展了针对燃烧室燃烧过程模拟的软件功能。采用射流火焰Flame D和旋流火焰TECFLAM对新软件进行了测试,结果表明:模拟结果与试验数据趋势一致,精度尚可。对某型燃烧室性能模拟验证中,计算的出口温度分布与试验结果一致,平均温度误差小于3.8%,新的软件可进一步应用于燃烧室性能的研究。 展开更多
关键词 概率密度函数输运方程湍流燃烧模型 随机场方法 非结构网格 射流火焰 旋流火焰 航空发动机
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航空发动机燃烧室数字孪生体系关键技术 被引量:9
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作者 王方 甘甜 +1 位作者 王煜栋 金捷 《航空动力学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第7期1546-1560,共15页
通过曲线坐标系浸没边界方法(IBM),在设计阶段可以实现对真实航空发动机燃烧室的高保真虚实映射,保留全部几何结构信息。在IBM方法基础上,采用大涡模拟(LES)结合概率密度函数输运方程湍流燃烧模型(TPDF),对双旋流燃烧室、某单头部直流... 通过曲线坐标系浸没边界方法(IBM),在设计阶段可以实现对真实航空发动机燃烧室的高保真虚实映射,保留全部几何结构信息。在IBM方法基础上,采用大涡模拟(LES)结合概率密度函数输运方程湍流燃烧模型(TPDF),对双旋流燃烧室、某单头部直流燃烧室以及某折流燃烧室1/10模型进行真实结构仿真,测试数字孪生体系关键技术的有效性。对比预测结果和实验结果,双旋流燃烧室的旋流器出口附近轴向、径向、切向速度平均误差分别为15.7%、23.8%、15.0%;非稳态解析了真实直流燃烧室与折流燃烧室的详细湍流燃烧场,出口温度分布的平均相对误差分别为11.66%和17.95%。因此基于虚实映射得到的燃烧室数字孪生体系具有一定的有效性,该方法具有潜在的工程应用前景。 展开更多
关键词 数字孪生 高保真建模 大涡模拟(LES) 概率密度函数输运方程湍流燃烧模型(tpdf) 浸没边界方法(IBM)
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详细化学反应机理对预混丙烷钝体熄火模拟影响 被引量:3
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作者 王方 韩宇轩 +2 位作者 窦力 王煜栋 金捷 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第10期2295-2305,共11页
航空发动机熄火预测是重要关键问题之一,湍流和化学反应的非线性相互作用使预测非常困难。本文采用大涡模拟(LES)对湍流进行高精度模拟,采用概率密度函数输运方程湍流燃烧模型(TPDF)耦合JL4,Z66和H73三种化学反应机理,对预混丙烷钝体熄... 航空发动机熄火预测是重要关键问题之一,湍流和化学反应的非线性相互作用使预测非常困难。本文采用大涡模拟(LES)对湍流进行高精度模拟,采用概率密度函数输运方程湍流燃烧模型(TPDF)耦合JL4,Z66和H73三种化学反应机理,对预混丙烷钝体熄火现象和规律进行研究。JL4的反应机理最简单,反应释热快,局部放热高,火焰宽度大,火焰两侧温度梯度大,燃烧更加趋于稳定,无法模拟出熄火状态。H73机理绝热火焰温度低,火焰温度低,回流区中部OH含量高;在近熄火状态,大量CO被氧化,释放热量过高导致无法模拟出熄火现象。Z66机理可以模拟出火焰正常状态,在低当量比下也可以模拟出熄火状态。算例中,局部Da>1的区域超过35%则会发生熄火。 展开更多
关键词 概率密度函数输运方程湍流燃烧模型(tpdf) 大涡模拟(LES) 钝体熄火 反应机理 AECSC程序
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基于释热率分析的钝体贫油熄火过程分析 被引量:3
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作者 邢竞文 金捷 王方 《北京航空航天大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期473-484,共12页
针对锥形钝体稳定的甲烷-空气预混湍流火焰复杂的熄火过程,采用大涡模拟(LES)与输运方程概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型相结合的模拟方法,研究远离熄火、近熄火及熄火点的火焰和释热率(HRR)数值变化情况,定量分析熄火判据。结果表明:... 针对锥形钝体稳定的甲烷-空气预混湍流火焰复杂的熄火过程,采用大涡模拟(LES)与输运方程概率密度函数(TPDF)湍流燃烧模型相结合的模拟方法,研究远离熄火、近熄火及熄火点的火焰和释热率(HRR)数值变化情况,定量分析熄火判据。结果表明:冷态速度模拟结果和实验的相对均方根误差在10%以内,热态误差在20%以内;释热率是否出现在OH和CH;O重叠的区域,是判断熄火的一个重要参数;远离熄火时,释热率高的区域主要沿内侧剪切层出现;近熄火工况下,释热率在流向轴上闭合,回流区下游也出现较大的释热率;熄火点工况下,较大释热率的区域在回流区下游和上游均有出现;模拟预测的熄火情况和实验PLIF结果一致;平均释热率可作为判断熄火的定量依据,即当钝体后方0.2d处内侧剪切层平均释热率与回流区平均释热率的比值小于4时,发生熄火。 展开更多
关键词 释热率(HRR) 贫油熄火边界预测 大涡模拟(LES) 输运方程概率密度函数(tpdf) 湍流燃烧
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AECSC-IBM航空发动机燃烧室数值模拟软件研发与检验 被引量:3
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作者 王煜栋 王方 +1 位作者 周佳伟 金捷 《航空动力学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第10期2310-2323,共14页
针对航空发动机燃烧室的高保真数值模拟需求,基于浸没边界方法(IBM)及大涡模拟-输运概率密度函数湍流燃烧模型(LES-TPDF)开发软件AECSC-IBM,用网格标记映射燃烧室真实几何结构。通过模拟双旋流燃烧室算例和Sandia射流火焰算例检验湍流... 针对航空发动机燃烧室的高保真数值模拟需求,基于浸没边界方法(IBM)及大涡模拟-输运概率密度函数湍流燃烧模型(LES-TPDF)开发软件AECSC-IBM,用网格标记映射燃烧室真实几何结构。通过模拟双旋流燃烧室算例和Sandia射流火焰算例检验湍流流动和燃烧的模拟精度。在双旋流燃烧室模拟中,旋流器出口时均轴向、径向、切向速度平均误差分别为15.7%、23.8%和15.0%。在射流火焰的模拟中,Flame-E和Flame-F的温度、燃料质量分数平均相对误差分别为14.69%、5.22%和14.18%、5.54%。进一步将AECSC-IBM软件应用于某真实结构单头部燃烧室算例,模拟得到出口温度与实验数据相比方均根误差为11.66%。算例检验表明AECSC-IBM软件能快速精确映射几何模型,大幅减少复杂几何高质量网格生成工作量,高效准确地模拟航空发动机燃烧室内的两相湍流燃烧现象,模拟结果可为燃烧室精细化研发提供燃烧场数据参考,具有工程实用价值。 展开更多
关键词 AECSC-IBM软件 大涡模拟(LES) 输运概率密度函数方程(tpdf) 浸没边界方法(IBM) 燃烧室数值模拟
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大涡模拟燃烧模型在扩散火焰中的对比研究 被引量:3
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作者 刘潇 龚诚 +1 位作者 李智明 郑洪涛 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第3期496-502,共7页
为研究不同大涡模拟湍流燃烧模型的性能,对比分析了不同大涡模拟(large eddy simulation,LES)燃烧模型在扩散火焰模拟中的计算性能,分别采用火焰面/反应进度变量(flamelet/progress variable,FPV),部分搅拌反应(partially stirred react... 为研究不同大涡模拟湍流燃烧模型的性能,对比分析了不同大涡模拟(large eddy simulation,LES)燃烧模型在扩散火焰模拟中的计算性能,分别采用火焰面/反应进度变量(flamelet/progress variable,FPV),部分搅拌反应(partially stirred reactor,Pa SR)和联合标量概率密度函数(transport joint possibility density function,PDF)燃烧模型对Sandia实验室的Flame D进行了数值模拟分析。计算结果与实验数据的对比表明:3种燃烧模型都可以较好地模拟扩散火焰。基于欧拉随机场的输运型PDF模型计算化学反应可以得到更加准确的结果,尤其是对中间组分OH和污染物NO的预测,但是计算量巨大;Pa SR的计算速度和计算精度居中;FPV的方法在计算量上大大缩减,在工程应用中具有很大价值。 展开更多
关键词 大涡模拟 扩散火焰 火焰面模型 PaSR模型 tpdf模型 燃气轮机
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CO与H_(2)氧化释热对煤油V型钝体稳焰器回流特性的影响
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作者 沈硕 金捷 +2 位作者 蔡江涛 宋绪光 王方 《推进技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期252-261,共10页
针对高速、贫氧的加力燃烧室流动特性,应用大涡模拟-输运概率密度函数方法(LES-TPDF)结合三种航空煤油机理,在来流马赫数为0.1的条件下,对一种V型钝体稳焰器进行两相燃烧流场的计算。结果表明,不同化学机理模拟的回流特性差异大,剪切层... 针对高速、贫氧的加力燃烧室流动特性,应用大涡模拟-输运概率密度函数方法(LES-TPDF)结合三种航空煤油机理,在来流马赫数为0.1的条件下,对一种V型钝体稳焰器进行两相燃烧流场的计算。结果表明,不同化学机理模拟的回流特性差异大,剪切层湍动能强度与回流区长度不同。由释热分析发现,钝体燃烧CO或H_(2)氧化强烈,过弱的氧化使剪切层释热率低、掺混弱,因此湍动能小,CO和H_(2)在回流区积累并缓慢反应、延长回流。本文统计不同机理的反应放热量,发现Kundu机理的CO,H_(2)氧化放热之和仅占总过程的25.30%。而反应强的骨架机理与JL4机理放热占比达到50.50%与87.16%,回流吻合实验,适用于当前工况的研究。 展开更多
关键词 V型钝体稳焰器 煤油化学机理 回流流动 释热率 LES-tpdf 两相扩散火焰
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掺氢比对高Ka数射流预混湍流火焰的影响 被引量:1
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作者 俞森彬 刘潇 周波 《燃烧科学与技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第1期52-59,共8页
在同步多物种平面激光诱导荧光(PLIF)测量的实验基础上,采用大涡模拟(LES)湍流模型耦合输运概率密度函数(TPDF)燃烧模型,以及44组分及268步CH4化学反应机理模拟了CH4/H2/空气混合气的不同掺氢比(0,20%,50%)时对高Ka数下预混湍流射流火... 在同步多物种平面激光诱导荧光(PLIF)测量的实验基础上,采用大涡模拟(LES)湍流模型耦合输运概率密度函数(TPDF)燃烧模型,以及44组分及268步CH4化学反应机理模拟了CH4/H2/空气混合气的不同掺氢比(0,20%,50%)时对高Ka数下预混湍流射流火焰的影响.结果表明,LES耦合TPDF模型可以较为准确地捕捉火焰高度,模拟该类火焰的速度分布、反应锋面CH的分布以及火焰褶皱及局部熄火等现象.随着掺氢比的升高,火焰高度降低,火焰根部的局部熄火得到显著改善.相比于掺氢,在未掺氢时,由于其更小的临界拉伸率及更少的H2与伴生火焰带来的自由基反应的机会,使得火焰根部出现局部熄火更为频繁.同时进一步发现,火焰根部的燃烧模式与主燃烧区域存在很大区别,火焰根部的扩散作用更为显著. 展开更多
关键词 分布反应区 局部熄火 燃烧模式 大涡模拟-tpdf燃烧模型 掺氢
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湍流燃烧概率密度函数(PDF)模拟的敏感性分析 被引量:2
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作者 周华 王琥 任祝寅 《工程热物理学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2017年第1期208-212,共5页
针对采用概率密度函数(PDF)方法的湍流燃烧数值模拟,基于已有的颗粒层面局部敏感性分析,提出一种改进方法,以高效地估计对反应动力学参数的局部敏感性系数。该方法的两个关键思路为:评估化学反应对组分演化的重要程度;以"当前效应&... 针对采用概率密度函数(PDF)方法的湍流燃烧数值模拟,基于已有的颗粒层面局部敏感性分析,提出一种改进方法,以高效地估计对反应动力学参数的局部敏感性系数。该方法的两个关键思路为:评估化学反应对组分演化的重要程度;以"当前效应"估计"总体效应"。以部分搅拌反应器(PaSR)为研究对象,通过与直接计算的结果比较,证明了新方法的计算结果可作为直接计算的有效估计,能够有效预测各个化学反应对于系统的相对重要性。 展开更多
关键词 湍流燃烧模拟 敏感性分析 概率密度函数方法
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