基于扩展不可逆热力学的含蜡原油三维热力本构模型研究

Most crude oils produced in domestic are waxy crude oils, and the production of waxy crude oils overseas also increases rapidly. The rheological properties of waxy crude oils are essential to the scientific design and the safety and economic operation of oil pipeline systems. The coupling of flow, heat transfer, and crystallization leads to the rheological behaviors of waxy crude oils complex and highly sensitive to thermal and shear history. To solve the pending problem of quantitatively predicting the influence of shear and thermal history on rheological properties of waxy crude oil, the Extended Irreversible Thermodynamics (EIT), capable of dealing with the coupling and relaxation phenomena in irreversible processes, will be innovatively introduced in the research on rheology of waxy crude oil for the first time. Firstly, the morphology evolution of wax crystallization which reflects the effect of shear and thermal history on the reological properties of waxy crude oil, will be simulated on the basis of wax crystallization kinetics modeling. Secondly, the 3D thermal constitutive model for waxy oils, integrating the couple effect of flow, crystallization, and heat transfer, will be established based on EIT. Finally, the flow behaviors of waxy crude oils in different flow fields under different shear and thermal conditions will be analyzed by applying the 3D thermal constitutive model. In this project, some unsolved issues in rheology of waxy crude will be figured out from new vision and angle, which will be an innovative exploration of research method.

我国所产原油大多为含蜡原油，国外含蜡原油的产量也在迅速上升。含蜡原油的流变性是输油管道科学设计和安全经济运行必不可少的依据。流动、传热、结晶过程的相互耦合，导致含蜡原油的流变性复杂，对剪切历史和热历史敏感。为解决一直以来无法定量预测剪切历史和热历史耦合作用对含蜡原油流变性影响的问题，本项目将首次尝试把适用于包含耦合和弛豫效应不可逆过程的扩展不可逆热力学理论，引入原油流变学研究中。首先，在建立蜡结晶的动力学模型基础上，模拟可反映含蜡原油所经历历史条件的蜡晶形态与结构的演化过程；然后，基于扩展不可逆热力学理论，建立流动、结晶、传热各过程耦合的含蜡油三维热力本构模型；最后，使用所建立的本构模型，研究含蜡油在不同流场中经历不同剪切历史和热历史后的流动特性。本项目将从新视野、新角度解决含蜡原油流变学研究中悬而未决的问题，属含蜡原油流变学研究方法的创新性探索。

含蜡原油的流变性是输油管道科学设计和安全经济运行必不可少的依据。描述物料流变行为的基本方法是建立本构模型，保证模型的物理意义则是建模的最基本要求。然而，目前关于含蜡原油的模型研究中，倾向于采用经验性的数学描述和拟合实验数据的验证方法，忽视了物理意义、力学基础等本质要求，导致模型理论基础薄弱，对含蜡原油实际复杂流变特性的预测能力并不理想。. 本研究首次将扩展不可逆热力学（EIT）理论引入原油流变学研究中，以胶凝含蜡原油的微观结构为基础，在基础研究中经典结论的指导下，建立了力学原理清晰、物理意义明确的含蜡原油非线性黏弹性本构模型，模型具有对不同加载方式的普适性和对独立实测数据的预测能力。所建立的本构模型由四个相互耦合的方程构成：分别描述剪切应力σ和结构参数λ演化规律的状态方程和速率方程，以及结构黏度ηs与结构模量Gs的物料函数。根据含蜡原油在屈服过程中表现出明显的非线性黏弹性特征，使用EIT理论框架推导出与之相符的黏弹性非线性应力方程。分别对影响黏性与弹性性质的微观结构进行了分析，以无量纲微观参数相对半径定义了结构参数λ，基于胶体胶凝理论，修正了流动条件下胶粒的形成与分解速率，并结合λ的定义，通过理论推导建立了速率方程。参考悬浮液黏度模型理论，并考虑含蜡原油体系相变过程中胶粒高浓度和多分散性的特点，建立了黏度函数ηs(λ,γ)。根据对小变形下的实验结果分析与含蜡原油的组成特点，提出了含蜡原油胶凝结构的双网络结构假设，并建立了模量函数Gs(γ)，通过规定模量函数中应变γ的方向性，实现了对结构不可逆破坏的描述。本研究是对理论指导下建立模型的探索，验证了常用于基础研究中的建模方法应用于工程领域的可行性，为今后的基础研究工作提供了重要的思路与方法。. 研究成果已发表期刊论文4篇，其中3篇均被SCI、EI收录，在高水平国际会议上做学术报告2次，获省部级科技进步一等奖1项，毕业博士1名，硕士2名。