[科普中国]-接触时间

接触时间：两个组分发生化学反应，或是反应物通过催化剂的作用而发生反应，原则上它们间必须通过接触，反应才能够发生，接触的时间愈长，反应的转化率愈高。但实际上接触时间的概念只有理论上的意义，接触时间是无法测量的，故在工程上都采用反应物在反应器中的停留时间或是平均停留时间代替接触时间。一般的接触时间是指平均停留时间。

船－桥碰撞接触时间的船撞力简化计算方法通过数值模拟初步分析了不同吨位船舶撞击代表性桥梁工程的接触时间，根据船－桥碰撞动力学模型得出了船撞力和接触时间的理论解；分析了船舶质量、初始撞击速度、船艏刚度以及桥墩刚度等参数对碰撞接触时间的影响，拟合出碰撞接触时间的简化计算公式，并通过实际船－桥碰撞工程的数值模拟对简化计算公式进行了验证，从而修正了中国《公路桥涵设计通用规范》中关于漂浮物撞击桥梁的碰撞接触时间的定义；基于冲量定理分析了船－桥碰撞接触时间与峰值船撞力的关系，研究了船撞力时程曲线与正弦波和三角波的关系，并与数值模拟 结果进行了对比分析，建立了峰值船撞力简化计算公式。1

船－桥碰撞冲击动力学模型船－桥碰撞动力学模型得出船撞力和接触时间的理论解，继而分析各相关参数对碰撞接触时间的影响规律，拟合碰撞接触时间的简化计算公式。船－桥碰撞作用的时间相对较短，在整个碰撞过程中碰撞响应难以完全有效地传递到整个桥梁结构中，因此将船撞桥墩模型进行简化处理。船－桥碰撞简化力学模型中，M为上部结构等效集中质量，h为撞击位置处的高度，l为桥墩总高度，n为桥墩沿高度方向的分段数，k1为水平向平动弹簧的弹性约束刚度，k2为竖向平动弹簧的弹性约束刚度，k3为抗转动弹簧的弹性约束刚度，kB为船艏接触刚度，mB为船舶等效质量，vB0为船舶初始速度）。1

桥墩上部约束采用等效质量处理，下部采用2个平动弹簧和1个转动弹簧等效基础的约束，船舶与桥墩结构通过非线性弹簧耦合在一起。计算分析时选取线性刚度，而具有非线性刚度特性的船艏与桥墩碰撞动力特性作为后续研究开展。桥墩自耦合点（撞击点）分为2个梁单元。每个桥墩梁单元均考虑弯曲变形、剪切变形以及转动惯量的作用，基于分布质量的弹性体理论，建立桥墩梁单元的偏微分运动方程。

结合简化模型的边界条件以及撞击点处的连续条件和撞击条件，可求解出船－桥碰撞力等未知量。因运动方程较复杂，直接求解比较困难，故通过对运动方程进行积分变换求得其频域内的解，再进行数值反演，转换到时域内。1

碰撞接触时间与船－桥接触刚度的关系船－桥接触刚度kB与船－桥碰撞接触时间t之间的关系为，其中速度为4m·s－1，质量为200t。碰 撞接触时间t随着船－桥接触刚度的增大而缩短；峰值撞击力随着船－桥接触刚度的增大而增大。可知船－桥碰撞接触时间t与船－桥接触刚度的倒数1/kB算术平方根之间的关系。以及船－桥碰撞接触时间t随着1/kB算术平方根的增大而增大，基本上呈线性增长关系。1

碰撞接触时间与初始撞击速度的关系船－桥碰撞接触时间t与船舶 初 始撞击速度v之间的关系为，其中船舶质量 m=200t，船舶接触刚度kB=5MN·m－1。碰撞接触时间t与船舶初始速度之间不存在相关关系，仅改变船舶初始速度，碰撞接触时 间t基本不变；峰值撞击力随着船舶初始速度的增大而增大，且增幅近似呈线性增长关系。1

复合体系与原油接触时间对界面张力的影响由于碱与表面活性剂的协同效应，可使油 /水界面张力降到超低状态，因此，三元复合驱成为提高采收率领域的研究热点。然而，大多数人将实验研究的重点放在碱浓度、离子强度、活性剂结构等因素对油水界面张力的影响方面，而没有注意到在实际驱油过程中，是驱替液与原油长期接触反应的动态过程。针对这一问题，通过系统的实验工作，验证了原油与活性剂接触时间对复合体系界面张力的重要影响，同时分析了低碱浓度下界面张力的特性，这些工作为明确碱在复合驱中的作用、合理选择三元复合体系配方提供了重要依据。2

短时间接触原油时复合体系的界面张力特性在驱替液与原油的接触初期 (60min内 )，不同碱浓度下的油水动态界面张力变化曲线，在不同的NaOH浓度下动态界面张力基本都是随着时间先减小后增大，最终达到一个平衡值 ；只有在NaOH浓度为 1.0%wt和1.2%wt时，动态界面张力达到了超低，并且NaOH浓度 较高时 (1.2%wt)，体系达到最低和平衡界面张力的所需时间要少于NaOH浓度较低时 (1.0%wt)，这与前人大量的研究结果是相符合的。2

1992年Naser-El-Din和Taylor研究发现，对碱 /活性剂 /原油体系加入NaCl可以使到达最低界面张力的时间缩短，第一次提到了离子强度对动态界面张力会产生影响。

以往碱的大量加入主要起到了两方面的作用 ：①与原油中的活性物质发生反应生成自身的活性剂，协助外来的表面活性剂降低界面张力，这一点上需求的碱量很少。 ②多余的碱量主要是起到增强离子强度的作用，在一定离子强度作用下，活性剂会以更好的形态在油水界面排列和吸附，从而降低界面张力。

只需加入少量的碱让其发挥第一种作用，而加入NaCl来起到第二种作用，但是要适量，因为过量的Na+将导致HABS的水溶性下降，油溶性增加，从而使其亲水亲油平衡偏离最佳状态，故油水界面张力值反而不能达到超低。2

长时间接触原油时复合体系的动态界面张力在实际油藏条件下，作为驱替液的复合体系与原油之间的界面张力特性往往与室内实验的结果不尽相同，这是因为接触时间及油藏中的压力 、温度等因素都会对界面张力的特性产生影响，尤其是随着时间的推移，驱替液与原油之间界面张力将会如何变化，变化的幅度有多大，对于这些问题一直没有系统的研究报导。针对这一问题，提出了接触时间的概念，并设计相关实验对其进行研究。

接触时间是指在油藏压力和温度下，驱替液与原油相互接触的时间。由于压力对界面张力的影响较小，故在此不予考虑。将大庆原油 (5μl)挤入事先充满 NaCl1.5%/NaOH0.3%/HABS0.2%复合体系的玻璃管 (Φ5)中，保证油滴与复合体系充分接触，然后将玻璃管放置在45℃的恒温箱中，经过一段时间后取出测定体系的动态界面张力值。2

由于原油中的活性物质与碱发生反应，生成原油自身的表面活性剂，这种活性剂剂量很小，但是能够很好地辅助复合体系中外加的表面活性剂，即帮助其吸附在油水界面，从而达到降低界面张力的作用，但是随着接触时间的延长，原油中的活性物质不断的与碱发生反应并最终耗尽，同时这种原油自身生成的表面活性剂也在不断地向周围溶液扩散，最终在油水界面以一个最小值达到动态吸附平衡，正是这种由油 /水界面向周围溶液的不断扩散，才使得界面张力最低值不断上升。反过来也证实了原油中的活性物质的确对降低界面张力起到关键作用，但其作用可能不是人们当初认为的那种决定性作用。碱与原油中活性物质反应，就地生成新的活性剂，能够很好地辅助人工表面活性剂降低界面张力，这种情况也可以通过添加与其性能相近的助剂而达到同样效果加以验证。2

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学