以动压气体轴承间隙内流动为背景,研究旋转圆柱微间隙剪切流动特性,采用有限体积法对内壁高速旋转的两圆柱间隙内流动特性进行分析,讨论偏心率、间隙比和转速等因素对压力和速度分布的影响,同时分析通道内泰勒-库特流动规律,及泰勒涡对速度分布产生的影响。结果表明,偏心率或转速的增加以及间隙比的减小,使得压力绝对值上升,压力极值点随着偏心率的增加向最小气膜间隙处移动;偏心率高于0.3时,间隙内出现流动分离形成回流,当偏心率增高至0.8时,回流区周向角度占比达到0.73;泰勒涡的出现使间隙内速度产生波状分布,切向速度最低减至0。分析结果可为了解动压气体轴承内部工作机理提供指导和依据。

在研究二维活塞与缸体配合微间隙中纯剪切空化的过程中,发现该空化现象在外界条件一定的情况下不仅会随着时间发展壮大,也会随着时间的延长萎缩消失。为探究该空化消失现象的可能成因,利用自制的外筒旋转同心圆筒装置在纯剪切流场中构建充分发展的空化气泡分布场,并分别就不同温度、流场压强、油液上方空气占比以及定子外表面结构等因素进行可视化实验研究。实验结果表明:所涉的空化空泡消失现象不同于空化溃灭现象,其开始消失的时间与油液温升和流体压强都具有正相关性,且后者作用更为显著。空泡消失的时间与流场初始压强呈指数下降的关系,压强越高流场的剪切空化现象消失时间越短且温升值越小。

以天然气井高压旋转控制头为工程背景,利用流体动压机理,针对高转速轴密封问题,提出通过在密封橡胶与轴微间隙接触界面建立润滑气膜,以有效解决橡胶干摩擦失效问题。在胶芯内壁构建螺旋槽,改变柱状摩擦副接触面结构,以产生气体动压效应。通过建立柱面微间隙气膜模型,实现了气膜流场数值模拟,并验证了螺旋槽结构参数、转速变化等因素对气膜的影响规律。结果表明:偏心率是润滑气膜形成的必要条件;在偏心率和转速一定的条件下,螺旋槽与轴转动方向相反且旋向为50°时,气膜压力最大,可获得最佳气体动压效应。

近年来,随着勘探开发进程的深入开展,多数油田开发进入中后期,流体注入、酸化、压裂等增产改造措施得到广泛应用,越来越多的井却出现了环空带压,因此现有固井质量的评价方法已经不能满足实际需求,实现准确定量评价水泥环胶结质量是解决问题的关键。基于声波测井原理,室内制作Ⅰ、Ⅱ界面不同环空微间隙的水泥环模型模拟现场井下情况,利用水泥环声波测井固井质量评价装置,采用CBL/VDL的组合方式采集聚合物水泥声波测井曲线,对所测声波幅值通过二项式拟合,构建微环隙大小与一二界面固井胶结质量、封隔能力的关系曲线版图,并提出了Ⅰ、Ⅱ界面水泥环微环隙大小与水泥石胶结质量评判依据。

二维液压元件能充分利用二维活塞的面密封以及周向旋转配流等特点以获得更好的工作性能,但面临二维活塞与缸体配合微间隙中油液强剪切可能诱发空化的问题。为探究该处微间隙内油液的一维运动工况,利用自制的外筒旋转同心圆筒装置开展纯剪切流动实验研究,分别就不同转速、流场压力、油液上方空气占比、内筒外壁面配流槽结构以及微间隙厚度进行可视化研究。实验结果表明:流场压力与发生剪切空化的临界剪切应力成线性增大关系,压力越大油液空化所需剪切应力越大;若油液上方空间内留有空气,则上方空气含量越高对剪切空化的抑制作用越强;而二维活塞的配流槽结构一方面会减小油液的剪切扭矩,另一方面会改变纯剪切流场,从而抑制剪切空化的发生;微间隙厚度的减小将使发生剪切空化的临界剪切应力减小,从而降低剪切空化发生的难度。