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1、第23卷第1期天然气工业钻井工程3非牛顿流体的稳定性及其流态判别1122刘乃震王廷瑞刘孝良刘崇建(1.辽河石油勘探局21西南石油学院)刘乃震等.非牛顿流体的稳定性及其流态判别.天然气工业,2003;23(1):53～57摘要针对非牛顿流体的稳定性问题及其流态判别的研究,将整体稳定性理论及局部稳定性理论应用于塑性流体和幂律流体在同心环空的流动中,建立和推导出相对应的判别流动状态的稳定性参数表达式。这些参数的临界值与牛顿液体流态准数雷诺数的临界值,同样具有与液体流变性无关的特点。文章还系统地阐述了非牛顿流体各种稳定性参数的含义,并应用文献资料所提供的实验数据,说明了它们的精确
2、程度和适用范围。主题词非牛顿流体流动稳定性流态判别同心环形空间牛顿液体的稳定性问题,已经有了较好的解决rρivxdvxZ=(1)方法;而非牛顿流体的稳定性问题,却一直在不断的τwdx研究之中,尚无公认的理想判别方法。牛顿液体的Z值的基本含义为任一层流体在单位体积内,其动量矩对时间的变化率与边壁剪切应力之比。稳定性判别,一般采用雷诺数(Re)的方法,Re≤〔2〕国内不少学者将Z值引伸到分层雷诺数的概2100,液体流动为层流;Re>3000,液体流动为紊念上,其表达式为:流,Re在2100～3000这个范围属于液体流动的不稳定状态,一般被确定为紊流状态。牛顿液体的稳Reρxv
3、xx(2)x=ηx定性判别,其最大特点是Re的临界值Rec与液体性由于流体流动时各层间x处的vx和ηx、dvx/dx质无关。非牛顿流体稳定性的判别,Rec却与流体性(对非牛顿流体)是不一样的,Rex将在某层间出现最质有关,不同流变性能的流体,其Rec是不一样的。大值,该最大值被定义为稳定性参数Z,其临界值为目前,采用实验和统计的方法,确定出不同流变参数808。由于某层Z值最大,流体的稳定性问题首先发与Rec的关系,再根据相关公式,对非牛顿流体进行生在这一层,然后再逐渐扩大到整个流道上,这就是流态判别。这种方法虽与实际相符,但具体使用却局部稳定性理论的基本构思。根据该构思推
4、导出非不太方便。能否找出一种非牛顿流体的判别方法,牛顿流体在管内及环形空间流动的流态判别式。其流态判别的临界准数,不受其流变参数的影响而Hanks〔3〕提出的稳定性参数K为任一层流体在单位为某一固定数值。围绕这个问题,不少研究者已作体积内,其动量对时间的变化率与压力梯度之比,其〔1～9〕了大量工作,取得了较好的成果,但有些问题还表达式为:不甚清楚,特别是非牛顿流体各种稳定性观点的含ρvxdvxK=(3)义及其在环形空间内的判别,有必要系统地进行介dp/dldx绍和继续研究。式(1)与式(3)相比,其相互关系为Z=2K,即稳定性参数K的临界值为404。说明Z值与K值在判非牛
5、顿流体稳定性研究概况别流态上无本质上的区别。1.局部稳定性理论2.整体稳定性理论Ryan&Johason〔1〕提出的稳定性参数Z值的表达该理论考虑的是液体在整个流道中的稳定性问式为:题。3本文为原中国石油天然气总公司重点科技攻关项目“泥浆和水泥浆的流动规律研究”中部分内容,编号:86—6(5)。作者简介:刘乃震,1960年生,高级工程师;1990年毕业于石油大学钻井专业。现为中国地质大学石油工程系在读硕士研究生。现任辽河石油勘探局石油工程技术研究院院长。地址:(124010)辽宁省盘锦市兴隆台。电话:(0427)7821122。·53·©1994-2010ChinaAca
6、demicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net钻井工程天然气工业2003年1月(1)M—T稳定性参数。M—T稳定性参数用Xρvdi414Rep=1-α+α(11)表示,由Mishra&Tripathi〔4〕在1971年提出的。其表η33环形空间:流体失稳发生的位置:达式为:11Emx=r0+(R-r-2r0)(12)X=(4)23τwZ值的表达式为:式(4)的基本含义为单位体积内流体的动能与管壁3ρv(D-d)(1-α)剪切应力之比。Zα=0.3849(13)η3131
7、-α+α圆管内:221riρvx2ρriReρv(D-d)3α+1α3(14)3α=1-Emp=22πxvxdx=2∫vxxdxη22πriv∫02rwv0当核隙比α=0,流体为牛顿液体,稳定性参数Z(5)的临界值为808。以此临界值及不同的核隙比及算环形空间:出相应的临界雷诺数Rec和临界的赫兹数Hec,并绘R-r212ρvx制出Rec—Hec曲线。Ema=222π(R+r)vxdxπ(R-r)v∫022414R-r1-α+αρ2333=vxdx(6)Recp=21003(15)(R-r)v∫0(1-α)(2)涡流模型。岳湘
