《计算流体力学在石油工业中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算流体力学在石油工业中的应用（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、计算流体力学在石油工业中的应用 一、流体力学发展及分支 二、计算流体力学在石油工业中的应 用1力学理论力学弹塑性力学流体力学材料力学弹性力学一、流体力学发展及分支流体力学理论流体力学计算流体力学实验流体力学2（一）理论流体力学 理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守 恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动 ，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步 骤大致如下： 首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题，分 析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建 立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本 模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、
2、理想流体 、平面流动等。 3 其次是针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动 量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程 、动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流动参 量的关系式(例如状态方程)，或者其他方程。建立流体力 学基本方程组。 求解方程组，解释所得到解的物理含义和流动机理。通常 还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解 的准确程度和力学模型的适用范围。 4（二）实验流体力学 实验流体力学 （experimental fluidmechanics ） :主要用实验方法研究自然界或各类工程领域中的流 体流动现象和规律以及流体与固体之间的相互作用 的流体力学分支
3、。 实验方法包括现场观测及实验室模拟两大类。前者 是对实际存在的流动现象进行系统观测，以便分析 流动规律，预测流动现象的演变，如气象、水文、 潮汐研究等。但实际流动往往不易控制，无法重复 ，且流动尺度大，实验成本比较高。实验室模拟可 控制实验条件，现象可以重演，产生的流动具有典 型性，有利于揭示复杂流动的本质和规律，成为主 要的实验手段。5两相管流678910粒子图像速度场仪 （Particle image velocimetry） PIV（粒子成像测速）全名：Particle Image Velocimetry,又称粒子图像测速法，是七十年代 末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体 力学
4、测速方法。近几十年来得到了不断完善与发 展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如 LDV）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间 点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间 结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪 粒子外，所有测量装置并不介入流场。另外PIV 技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述 优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课 题，因而日益得到重视。11 目前PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的 PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪 粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知 很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态 速度分布。若示踪粒子有足够高的流
5、动跟随性， 示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状 态。因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。12 在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为： （1）比重要尽可能与实验流体相一致；（2）足 够小的尺度；（3）形状要尽可能圆且大小分布 尽可能均匀；（4）有足够高的光散射效率。通 常在水动力学测量中大都采用固体示踪粒子，如 聚苯乙烯及尼龙颗粒、铝粉、荧光粒子等，国外 已有公司专门为PIV测量研制出了在流体中接近 上述要求的高质量固体粒子，但目前这种粒子价 钱非常昂贵。13 PIV系统示意图14PIV粒子图像测速系统Particle Image Velocimetry (PIV)定量化的图像显
6、示技术测量流体中示踪粒子的位移，在瞬间获 得流场中一个平面内多点（成千上万） 的二维或三维速度矢量分布。 测量一个时刻流场内多点的流动特性（ 面测量）提供一个时刻空间序列的流场 结构一次可获得一个平面内的流场特性测量粒子通过已知时间的位移计算速度15PIV - 原理t - 两个脉冲之间的时间 x 粒子在X方向的位移 y 粒子在Y方向的位移Velocity of particle A ux = x/t as t 0 uy = y/t as t 0流动平面流动平面片光源片光源xyA. . . . . . . . . . . . . . .16互相关处理粒子位移粒子位移查询网格Crosscorrel
7、ationVector fieldVector fieldCross- correlatio nframe 1frame 2查询网格17PIV系统组成 光源系统利用脉冲激光器照亮流场中 的一个测量平面双脉冲激光器配件：激光光导臂系统、片光源透镜组 图像采集系统 捕捉粒子图像并记录CCD相机高精度时序同步控制器配件：5325nm窄带滤波镜、高速数字 影像数据采集板18 软件平台 系统硬件控制 图像分析、显示软件平台PIVPIV系统组成系统组成2维PIV系统3维PIV系统19双腔激光器 脉冲能量：200 mJ/pulse 35 ns 脉宽冻结粒子图像 脉冲间隔时间T可以调节测量速度从mm/s到超音
8、速 脉冲频率：15Hz 532nm 波长20激光光导臂全封闭传输高能量激光输出可三维全方向移动标准配置长度1.5m七关节、九关节21激光片光源透镜组紧凑的透镜组合 由球面镜和柱面镜组成 调节片光源厚度和尺寸Cylindrical lensSpherical lenswaist22时序同步控制器外部触发外部触发 (e.g., once-per-rev)(e.g., once-per-rev)激光控制激光控制CameraCameraCamera Camera interfaceinterface触发示踪触发示踪Computer23（三）计算流体力学 数学的发展，计算机的不断进步，以及流 体力学各种
9、计算方法的发明，使许多原来 无法用理论分析求解的复杂流体力学问题 有了求得数值解的可能性，这又促进了流 体力学计算方法的发展，并形成了计算流 体力学CFD（ Computational Fluid Dynamics）。24 计算流体力学：在计算机应用的基础上， 采用各种离散化方法（有限差分法、有限 元法等），建立各种数值模型，通过计算 机进行数值计算和数值实验，得到在时间 和空间上许多数字组成的集合体，最终获 得定量描述流场的数值解。 计算流体力学已成为当今流体力学发展中 最重要的一个分支的计算流体力学软件25计算流体力学是应用计算机和流体力学的知识对流体在特定 条件下的流动特性进行模拟，用数
10、值计算方法求解流动控制方 程以发现各种流动现象规律的科学。计算流体力学的应用已经从最初的航空航天领域不断地扩展到船 舶、海洋、化学、铸造、制冷、 工业设计、城市规划设计、建筑 消防设计、汽车等多个领域。计算流体力学计算流体力学26 市场上主流的CFD商用软件包括：FLUENT、 PHOENICS、CFX、STAR-CD、NUMECA（ FINE）等。发展到今天，已经大约有50余种用于 流动计算和传热计算的软件，虽然各种软件各有 不同，但CFD软件结构基本上是一致的。前处理器求解器后处理器27 其中前处理器、求解器、后处理器三大模块的功能如 下： 前处理器：用于创建几何模型和自动的生成网格； 求
11、解器：建立CFD方法中的模型控制方程（N-S方程 ，湍流模型）、对模型进行离散化处理、选择数值方 法（SIMPLE系列、MAC系列）、相关参数的输入（ 如初始条件、边界条件、松弛因子、物性参数等）； 后处理器：给出计算后的可视化结果，包括速度场分 布、温度场分布、压力场分布、浓度场分布及其它参 数等。28 PHOENICSPHOENICS简介简介uu PHOENICSPHOENICS简介简介PHOENICSPHOENICS软件是世界上第一套计算流体与计算传热学商软件是世界上第一套计算流体与计算传热学商用软件，只要有流动和传热都可以使用用软件，只要有流动和传热都可以使用PHOENICSPHOEN
12、ICS程序来程序来模拟计算。它的应用领域：航空航天、能源动力、船舶水利模拟计算。它的应用领域：航空航天、能源动力、船舶水利、暖通空调、建筑、海洋、石油化工、汽车、冶金、交通、暖通空调、建筑、海洋、石油化工、汽车、冶金、交通、燃烧、核工程、环境工程等。燃烧、核工程、环境工程等。29PHOENICS软件30VR编辑器中主控菜单31运行后的VR视图器32 FLUENT是美国FLUENT公司在1983年推出的商用CFD 软件。它是继推出PHOENICS软件之后的又一个投放市 场的基于有限体积法软件。在国内，FLUENT以其功能全 面和适用性广泛的优点成为目前使用最广泛的CFD商用 软件之一。 FLUE
13、NT 6.0是FLUENT公司的旗舰产品，它的解算器采 用有限体积法和非结构化网格。作为通用求解器它适用于 多种复杂流场，包括低速的不可压缩流动、跨音速流动、 超音速和高超音速流动等。FLUENT中包含大量的物理模 型，这些模型保证了用户精确地模拟计算无粘流动、层流 /湍流流动、换热、多相流流动、化学反应等。33 FLUENT软件组成 FLUENT有很多产生网格的工具，包括如 ：GAMBIT专用的CFD前置处理器（ 几何模型/网格生成）；TGrid、GeoMesh 、preBFC、ICEMCFD、I-DEAS、 NASTRAN、PATRAN、ARIES、ANSYS ，及其它的前处理器等，因此F
14、LUENT能 够处理大量的具有不同结构的网格拓扑结 构。34 FLUENT 可用来模拟计算从不可压缩流动 到中等程度的可压缩流动乃至高可压缩流 动范围内的复杂流场问题。并可以达到最 佳的收敛精度。主要是因为它采用了多种 求解方法以及多重网格的加速收敛技术， 并且它具有非结构化网格和自适应网格（ 基于求解精度）及成熟的物理模型，这些 使FLUENT 在众多领域取得了显著的成效 。35 在FLUENT中我们能够灵活使用网格拓扑结构来 适应特定的问题，其中在二维问题上我们可以使 用四边形网格和三角形网格；而对于三维问题则 可以使用六面体、四面体、金字塔形以及楔形单 元，或者两种单元的混合。FLUEN
15、T可以接受单 块和多块网格，以及二维混合网格和三维混合网 格；另外还接受有悬挂节点的网格（即并不是所 有单元都共有边和面的顶点）。36例子：圆柱绕流37飞机绕流38叶轮机械39二、计算流体力学在石油工业中的应用 （一）流体力学在石油工业中的应用 钻井用的钻井液和水泥浆的循环，油田生产作业用的压裂 液和驱替液的注入，原油、天然气的储运以及在储运过程 中产生的气蚀及水击现象，油井中油气的采出、地面上的 分离和集输，成品油的加工过程。 （二）计算流体力学在石油工业中的应用 1.环空流动 2.射流泵采油 3.两相管流及复杂流体流动的数值模拟 4.管道运输是速度场及温度场的分布 5.顺序输送的数值模拟 6.水力喷砂射孔40 1. 环空流动 抽油机带动抽油杆在油管中上下往复运动时所形成 的环形空间；地面驱动采油有杆螺杆泵旋转，抽油 杆与油管所形成的环形空间；油水管道流动中同心 和偏心环状流；垂直井和水平井中油杆和套管环形 空间，根据不同石油工艺的要求，非牛顿流体在环 形空间中的轴向层流，过流断面分为同心环空断面 和偏心环空断面两种情形。井中钻柱或套管的轴线 与井眼轴线重合时的环形空间为同心环空，不重合 时为偏心环空。钻井液或完井液在固井环空中的上 返流动，往往按同心环空
