計(jì)算流體力學(xué)在石油工業(yè)中的應(yīng)用課件

計(jì)算流體力學(xué)在石油工業(yè)中的應(yīng)用一、流體力學(xué)發(fā)展及分支二、計(jì)算流體力學(xué)在石油工業(yè)中的應(yīng)用1力學(xué)理論力學(xué)彈塑性力學(xué)流體力學(xué)材料力學(xué)彈性力學(xué)……………………一、流體力學(xué)發(fā)展及分支流體力學(xué)理論流體力學(xué)計(jì)算流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)2（一）理論流體力學(xué)理論分析是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的普遍規(guī)律如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，利用數(shù)學(xué)分析的手段，研究流體的運(yùn)動(dòng)，解釋已知的現(xiàn)象，預(yù)測(cè)可能發(fā)生的結(jié)果。理論分析的步驟大致如下：首先是建立“力學(xué)模型”，即針對(duì)實(shí)際流體的力學(xué)問題，分析其中的各種矛盾并抓住主要方面，對(duì)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化而建立反映問題本質(zhì)的“力學(xué)模型”。流體力學(xué)中最常用的基本模型有：連續(xù)介質(zhì)、牛頓流體、不可壓縮流體、理想流體、平面流動(dòng)等。3（二）實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)（experimentalfluidmechanics）:主要用實(shí)驗(yàn)方法研究自然界或各類工程領(lǐng)域中的流體流動(dòng)現(xiàn)象和規(guī)律以及流體與固體之間的相互作用的流體力學(xué)分支。實(shí)驗(yàn)方法包括現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及實(shí)驗(yàn)室模擬兩大類。前者是對(duì)實(shí)際存在的流動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)觀測(cè)，以便分析流動(dòng)規(guī)律，預(yù)測(cè)流動(dòng)現(xiàn)象的演變，如氣象、水文、潮汐研究等。但實(shí)際流動(dòng)往往不易控制，無法重復(fù)，且流動(dòng)尺度大，實(shí)驗(yàn)成本比較高。實(shí)驗(yàn)室模擬可控制實(shí)驗(yàn)條件，現(xiàn)象可以重演，產(chǎn)生的流動(dòng)具有典型性，有利于揭示復(fù)雜流動(dòng)的本質(zhì)和規(guī)律，成為主要的實(shí)驗(yàn)手段。5兩相管流67910粒子圖像速度場(chǎng)儀

（Particleimagevelocimetry）PIV（粒子成像測(cè)速）全名：ParticleImageVelocimetry,又稱粒子圖像測(cè)速法，是七十年代末發(fā)展起來的一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、無接觸式的流體力學(xué)測(cè)速方法。近幾十年來得到了不斷完善與發(fā)展，PIV技術(shù)的特點(diǎn)是超出了單點(diǎn)測(cè)速技術(shù)（如LDV）的局限性，能在同一瞬態(tài)記錄下大量空間點(diǎn)上的速度分布信息，并可提供豐富的流場(chǎng)空間結(jié)構(gòu)以及流動(dòng)特性。PIV技術(shù)除向流場(chǎng)散布示蹤粒子外，所有測(cè)量裝置并不介入流場(chǎng)。另外PIV技術(shù)具有較高的測(cè)量精度。由于PIV技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)，已成為當(dāng)今流體力學(xué)測(cè)量研究中的熱門課題，因而日益得到重視。11在PIV測(cè)速技術(shù)中，高質(zhì)量的示蹤粒子要求為：（1）比重要盡可能與實(shí)驗(yàn)流體相一致；（2）足夠小的尺度；（3）形狀要盡可能圓且大小分布盡可能均勻；（4）有足夠高的光散射效率。通常在水動(dòng)力學(xué)測(cè)量中大都采用固體示蹤粒子，如聚苯乙烯及尼龍顆粒、鋁粉、熒光粒子等，國(guó)外已有公司專門為PIV測(cè)量研制出了在流體中接近上述要求的高質(zhì)量固體粒子，但目前這種粒子價(jià)錢非常昂貴。13PIV系統(tǒng)示意圖14PIV粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)ParticleImageVelocimetry(PIV)定量化的圖像顯示技術(shù)測(cè)量流體中示蹤粒子的位移，在瞬間獲得流場(chǎng)中一個(gè)平面內(nèi)多點(diǎn)（成千上萬）的二維或三維速度矢量分布。測(cè)量一個(gè)時(shí)刻流場(chǎng)內(nèi)多點(diǎn)的流動(dòng)特性（面測(cè)量）提供一個(gè)時(shí)刻空間序列的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)一次可獲得一個(gè)平面內(nèi)的流場(chǎng)特性測(cè)量粒子通過已知時(shí)間的位移計(jì)算速度15互相關(guān)處理粒子位移查詢網(wǎng)格CrosscorrelationVectorfieldCross-correlationframe1frame2查詢網(wǎng)格17PIV系統(tǒng)組成光源系統(tǒng)——利用脈沖激光器照亮流場(chǎng)中的一個(gè)測(cè)量平面雙脈沖激光器配件：激光光導(dǎo)臂系統(tǒng)、片光源透鏡組圖像采集系統(tǒng)——捕捉粒子圖像并記錄CCD相機(jī)高精度時(shí)序同步控制器配件：532±5nm窄帶濾波鏡、高速數(shù)字影像數(shù)據(jù)采集板18軟件平臺(tái)系統(tǒng)硬件控制圖像分析、顯示軟件平臺(tái)PIV系統(tǒng)組成2維PIV系統(tǒng)3維PIV系統(tǒng)19激光光導(dǎo)臂全封閉傳輸高能量激光輸出可三維全方向移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)配置長(zhǎng)度1.5m七關(guān)節(jié)、九關(guān)節(jié)21激光片光源透鏡組緊湊的透鏡組合由球面鏡和柱面鏡組成調(diào)節(jié)片光源厚度和尺寸CylindricallensSphericallenswaist22時(shí)序同步控制器外部觸發(fā)(e.g.,once-per-rev)激光控制CameraCamerainterface觸發(fā)示蹤C(jī)omputer23計(jì)算流體力學(xué)：在計(jì)算機(jī)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，采用各種離散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各種數(shù)值模型，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和數(shù)值實(shí)驗(yàn)，得到在時(shí)間和空間上許多數(shù)字組成的集合體，最終獲得定量描述流場(chǎng)的數(shù)值解。計(jì)算流體力學(xué)已成為當(dāng)今流體力學(xué)發(fā)展中最重要的一個(gè)分支的計(jì)算流體力學(xué)軟件25

計(jì)算流體力學(xué)是應(yīng)用計(jì)算機(jī)和流體力學(xué)的知識(shí)對(duì)流體在特定條件下的流動(dòng)特性進(jìn)行模擬，用數(shù)值計(jì)算方法求解流動(dòng)控制方程以發(fā)現(xiàn)各種流動(dòng)現(xiàn)象規(guī)律的科學(xué)。計(jì)算流體力學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)從最初的航空航天領(lǐng)域不斷地?cái)U(kuò)展到船舶、海洋、化學(xué)、鑄造、制冷、工業(yè)設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑消防設(shè)計(jì)、汽車等多個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算流體力學(xué)26

PHOENICS簡(jiǎn)介

PHOENICS簡(jiǎn)介PHOENICS軟件是世界上第一套計(jì)算流體與計(jì)算傳熱學(xué)商用軟件，只要有流動(dòng)和傳熱都可以使用PHOENICS程序來模擬計(jì)算。它的應(yīng)用領(lǐng)域：航空航天、能源動(dòng)力、船舶水利、暖通空調(diào)、建筑、海洋、石油化工、汽車、冶金、交通、燃燒、核工程、環(huán)境工程等。29PHOENICS軟件求解流程圖30VR編輯器中主控菜單31運(yùn)行后的VR視圖器32FLUENT是美國(guó)FLUENT公司在1983年推出的商用CFD軟件。它是繼推出PHOENICS軟件之后的又一個(gè)投放市場(chǎng)的基于有限體積法軟件。在國(guó)內(nèi)，F(xiàn)LUENT以其功能全面和適用性廣泛的優(yōu)點(diǎn)成為目前使用最廣泛的CFD商用軟件之一。FLUENT6.0是FLUENT公司的旗艦產(chǎn)品，它的解算器采用有限體積法和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。作為通用求解器它適用于多種復(fù)雜流場(chǎng)，包括低速的不可壓縮流動(dòng)、跨音速流動(dòng)、超音速和高超音速流動(dòng)等。FLUENT中包含大量的物理模型，這些模型保證了用戶精確地模擬計(jì)算無粘流動(dòng)、層流/湍流流動(dòng)、換熱、多相流流動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)等。33

FLUENT軟件組成FLUENT有很多產(chǎn)生網(wǎng)格的工具，包括如：GAMBIT——專用的CFD前置處理器（幾何模型/網(wǎng)格生成）；TGrid、GeoMesh、preBFC、ICEMCFD、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN、ARIES、ANSYS，及其它的前處理器等，因此FLUENT能夠處理大量的具有不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。34FLUENT可用來模擬計(jì)算從不可壓縮流動(dòng)到中等程度的可壓縮流動(dòng)乃至高可壓縮流動(dòng)范圍內(nèi)的復(fù)雜流場(chǎng)問題。并可以達(dá)到最佳的收斂精度。主要是因?yàn)樗捎昧硕喾N求解方法以及多重網(wǎng)格的加速收斂技術(shù)，并且它具有非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和自適應(yīng)網(wǎng)格（基于求解精度）及成熟的物理模型，這些使FLUENT在眾多領(lǐng)域取得了顯著的成效。35在FLUENT中我們能夠靈活使用網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來適應(yīng)特定的問題，其中在二維問題上我們可以使用四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格；而對(duì)于三維問題則可以使用六面體、四面體、金字塔形以及楔形單元，或者兩種單元的混合。FLUENT可以接受單塊和多塊網(wǎng)格，以及二維混合網(wǎng)格和三維混合網(wǎng)格；另外還接受有懸掛節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)格（即并不是所有單元都共有邊和面的頂點(diǎn)）。36例子：圓柱繞流37飛機(jī)繞流38葉輪機(jī)械39二、計(jì)算流體力學(xué)在石油工業(yè)中的應(yīng)用（一）流體力學(xué)在石油工業(yè)中的應(yīng)用鉆井用的鉆井液和水泥漿的循環(huán)，油田生產(chǎn)作業(yè)用的壓裂液和驅(qū)替液的注入，原油、天然氣的儲(chǔ)運(yùn)以及在儲(chǔ)運(yùn)過程中產(chǎn)生的氣蝕及水擊現(xiàn)象，油井中油氣的采出、地面上的分離和集輸，成品油的加工過程。（二）計(jì)算流體力學(xué)在石油工業(yè)中的應(yīng)用1.環(huán)空流動(dòng)2.射流泵采油3.兩相管流及復(fù)雜流體流動(dòng)的數(shù)值模擬4.管道運(yùn)輸是速度場(chǎng)及溫度場(chǎng)的分布5.順序輸送的數(shù)值模擬6.水力噴砂射孔401.環(huán)空流動(dòng)

抽油機(jī)帶動(dòng)抽油桿在油管中上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的環(huán)形空間；地面驅(qū)動(dòng)采油有桿螺桿泵旋轉(zhuǎn)，抽油桿與油管所形成的環(huán)形空間；油水管道流動(dòng)中同心和偏心環(huán)狀流；垂直井和水平井中油桿和套管環(huán)形空間，根據(jù)不同石油工藝的要求，非牛頓流體在環(huán)形空間中的軸向?qū)恿?，過流斷面分為同心環(huán)空斷面和偏心環(huán)空斷面兩種情形。井中鉆柱或套管的軸線與井眼軸線重合時(shí)的環(huán)形空間為同心環(huán)空，不重合時(shí)為偏心環(huán)空。鉆井液或完井液在固井環(huán)空中的上返流動(dòng)，往往按同心環(huán)空軸向?qū)恿鱽硖幚怼?1非牛頓流體在環(huán)形空間的軸向?qū)恿鞯牧鲃?dòng)特性對(duì)于防止抽油桿偏磨、鉆進(jìn)速度和固井質(zhì)量有著不可忽略的作用。近年來，許多研究人員對(duì)冪律流體在環(huán)空中穩(wěn)定層流進(jìn)行了大量研究，得出一些對(duì)生產(chǎn)實(shí)際有重要價(jià)值的結(jié)論。對(duì)于紊流規(guī)律的研究，在石油工業(yè)以及其它許多行業(yè)中也都具有非常重要的意義。42434445圖6－10不同濃度流體軸向速度分布462.PHOENICS軟件在模擬射流泵的應(yīng)用高壓水射流在石油工業(yè)中應(yīng)用非常廣泛，在水平井鉆井、射孔壓裂、老井改造中均可采用水射流。射流噴嘴是水射流技術(shù)應(yīng)用中的核心部件，其結(jié)構(gòu)直接影響到射流質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)證明，采用性能良好、材料適宜的噴嘴，能極大地提高射流效率。因此，對(duì)射流噴嘴的結(jié)構(gòu)與射流性能之間的關(guān)系進(jìn)行研究是非常必要的。石油行業(yè)中應(yīng)用的水射流多為非自由淹沒射流，采用的噴嘴形式較多的為錐直型噴嘴，射流流場(chǎng)較為復(fù)雜。采用CFD軟件Fluent對(duì)錐直型噴嘴純水射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究在淹沒射流情況下錐直型噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)射流流場(chǎng)的影響。47射流泵是一種依靠流體之間動(dòng)量交換來工作的流體機(jī)械泵。jet-st系列射流泵環(huán)保型射流泵48

射流泵簡(jiǎn)介射流泵的結(jié)構(gòu)射流泵原理圖

射流泵結(jié)構(gòu)示意圖

49射流泵優(yōu)點(diǎn)：沒有運(yùn)動(dòng)件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、易于操作、便于維護(hù)和綜合利用等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)牧漁業(yè)、水利電力、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、建筑施工、礦山冶金、石油及地質(zhì)勘探、醫(yī)藥、化工、航空航天等行業(yè)。

射流泵缺點(diǎn)：效率不高，最高效率只有42%，因此限制了它的使用。50射流泵簡(jiǎn)介射流泵的工作原理工作流體通過噴嘴高速噴出，同時(shí)靜壓能部分轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。管內(nèi)形成真空，低壓液體被吸入管內(nèi)。兩股液體在喉管中進(jìn)行混合和能量交換，工作液體速度減小，被吸液體速度增大，壓力逐漸增加，在喉管出口處速度趨于一致?；旌弦后w通過擴(kuò)散管時(shí)，隨著流道的增大，速度逐漸降低，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓力能，混合液體壓力隨之升高。CFD數(shù)值模擬可用于研究喉嘴距、流量比對(duì)單相射流泵湍射流場(chǎng)的影響。51射流泵的結(jié)構(gòu)尺寸

射流泵單相數(shù)值模擬射流泵的結(jié)構(gòu)尺寸52射流泵單相數(shù)值模擬53

射流泵單相數(shù)值模擬射流泵的模型54

射流泵單相數(shù)值模擬由于射流泵為一細(xì)長(zhǎng)體，流道尺度差別很大，因此采用非等距網(wǎng)格，見下圖。55

射流泵單相數(shù)值模擬模擬的結(jié)果速度云圖和速度矢量圖56

射流泵單相數(shù)值模擬

57

射流泵單相數(shù)值模擬流量比對(duì)徑向速度分布的影響M=1.8M=0.68M=1.2858

射流泵單相數(shù)值模擬喉嘴距對(duì)徑向速度分布的影響Ld=0.4Ld=1.0Ld=2.0Ld=2.259

射流泵單相數(shù)值模擬喉嘴距對(duì)湍動(dòng)能分布的影響Ld=0.4Ld=1.0Ld=2.0Ld=2.260

射流泵單相數(shù)值模擬射流泵基本性能曲線模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果的對(duì)比情況（基本性能曲線）61

射流泵單相數(shù)值模擬模擬結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果的對(duì)比情況（效率曲線）62

射流泵單相數(shù)值模擬最佳喉嘴距不同Ld對(duì)應(yīng)的最大效率633.埋地管道土壤溫度場(chǎng)數(shù)值模擬圖4-1土壤溫度場(chǎng)物理模型示意圖64圖5-12不穩(wěn)定的土壤溫度場(chǎng)654.PHOENICS軟件在其它方面的應(yīng)用

——卡門渦街的由來

西爾多·馮·卡門（1881年-1963年），匈牙利猶太人。航空和航天領(lǐng)域最杰出的一位元老，漫長(zhǎng)的科學(xué)生涯頗具傳奇色彩。他精力充沛，性格開朗，既擅長(zhǎng)辭令，又富有幽默感；他閱歷極廣，到過世界上很多國(guó)家，與世界上許多大科學(xué)家有密切交往。被譽(yù)為“航空航天時(shí)代的科學(xué)奇才”。

66馮·卡門普朗特哈依門茲由水槽實(shí)驗(yàn)得到啟示水槽實(shí)驗(yàn)觀察圓柱體后面的流動(dòng)分裂67馮·卡門的兩大貢獻(xiàn)

一是發(fā)現(xiàn)渦街只有當(dāng)渦旋是反對(duì)稱排列，且僅當(dāng)行列的距離對(duì)同行列內(nèi)相鄰兩渦旋的間隔有一定的比值時(shí)才穩(wěn)定二是將渦系所攜帶的動(dòng)量與阻力聯(lián)系了起來

68卡門渦街69卡門渦街與雷諾數(shù)的關(guān)系Re=1Re=2000Re=9.670渦街流量計(jì)在工業(yè)中廣泛使用的卡門渦街流量計(jì)就是利用卡門渦街現(xiàn)象制造的一種流量計(jì)。

71網(wǎng)格設(shè)置X方向的網(wǎng)格數(shù)為110Y方向的網(wǎng)格數(shù)為1Z方向的網(wǎng)格數(shù)為7472數(shù)值計(jì)算的收斂性觀察點(diǎn)處的值不再隨計(jì)算步數(shù)的增加而變化各個(gè)參數(shù)的殘差隨計(jì)算步數(shù)的增加而降低，最后趨于平緩要滿足質(zhì)量守恒或者是質(zhì)量與能量守恒

73穩(wěn)態(tài)計(jì)算Re=1