油水两相流CFD仿真特性研究.docx

第一章 绪论1.1 课题研究背景及意义随着我国经济和科技的不断发展，管道运输已成为和铁路、公路、水运、航空并列的五大运输方式之一，成为原油、成品油、天然气、燃气和工业用危险介质的主要运输方式。从运输费用上来看，管道以其高效和经济而著称。从能量消耗的角度来讲，输油干线将原油输送1000公里所消耗的能量相当于所输送原油蕴含能量的0.4%。因此，与其他几种运输方式相比较，管道运输具有连续性好、运输量大、运价便宜和管理方便等优点，广泛应用于城市发展、能源开发、石油石化的基础设施建设等领域，和人民的生活息息相关，是我国的重大生命线。现代油气管道的历史可以追溯到1869年，美国宾夕法尼亚州建成世界上第一条原油输送管道，这标志着现代管道运输事业的开始。经过一百多年的发展，管道运输己成为各国国民经济的重要组成部分之一，也是衡量一个国家的能源业与运输业是否发达的特征之一。目前全世界油气干线管道己超过150万公里，美国、前苏联、加拿大占了三分之二以上。我国的管道运输事业发展得虽然较晚，但发展很快。上个世纪70年代，我国相继建成了庆抚线、庆铁线、铁大线、铁秦线、抚辽线、抚鞍线、盘锦线、中朝线等8条管线，率先在东北地区建成了输油管网。进入90年代以后，我国的长输管道的建设又有了新的突破，并相继建成了一大批油气长输管道。2003年底，我国油气长输管道累计长度已经达到45865公里，居世界第六。到2005年，西气东输、陕金二线、忠武线三条输气干线，川渝、京津冀鲁晋、中部、中南、长江三角洲等的区域管网基本完成，象征着我国的管道建设已进入世界先进行列。因此，在这样的大背景下，以研究油、气、水在管道内流动的多相流理论得到了长足的发展。另外，为了实现控制和预测油水两相流动系统,除了要知道油水两相流动条件、流体性质及流体组分外,油水流型特征也成为其必不可少的一个重要条件。1.2 国内外研究现状两相流的最初应用年代可以追溯到阿基米德时代，在如今的工业生产过程中普遍存在着两相流的问题。在上个世纪中，核能、化工、石油工业的发展强烈地推进了包括两相流在内的多相流领域中的相关研究，并且在复杂多相流中力学原理的启发下得到了许多重要的研究成果，但是从大的方面来说，对于多相流特别是油水两相流的研究还十分匾乏。我们知道，石油、天然气和水是石油工业中三种普遍的工作流体，可以将其排列组成四种不同的两相流体:气液、液液、固液、固气。油水两相流属液液两相流范畴，它的研究进展远远落后于气液两相流、气固两相流及液固两相流，规律也难以被发现。油水两相流和气液两相流动的根本差异在于:液液的密度差和界面自由能均比气液小得多，而液液界面的动量传递能力比气液界面大得多。国内外对于多相流的研究，主要通过两个研究手段。一方面是通过实验手段来探讨油水两相流的流型及流型转化规律，研究所得数据与现场所得数据的相关性方面。通过实验的方法，利用仪器观察油水两相的流型情况，研究流型转换过程及其影响因素。另一方面，随着个人计算机的出现，研究人员有了处理更复杂流型的能力和工具，为此，人们开发了许多基于多相流力学模型之上的多相流模拟仿真软件，为给定工作条件下的流场进行模拟和分析提供了可靠工具。1.2.1 实验研究部分目前国内外的研究，主要仍是依靠实验的方法，针对油水两相流的流型，观察其流动特性，以及对流型转变规律和影响因子进行了研究。流型是描述多相介质在流动中各自的分布方式或流动结构的，可以划分为若干基本的型式，但分类方法至今尚无统一。由于各相间存在随即可变的相界面，致使流型多种多样，十分复杂。早期的学者由于受到实验条件的限制，通常采用目测的方法进行油水流型的划分，具有很大的局限性。早在六七十年代，以Charles、Russel、K.n.Oglesby、Malinowsky等为代表的外国学者，对油一水两相流做了一系列的实验研究，实验中进行了流型的观察和压降规律的研究。在此期间所进行的实验研究都是在小尺寸的有机玻璃管或玻璃管内进行的，主要依靠肉眼来对不同的流型进行分辨，研究尚处于对各种油一水两相流流型的感性认识阶段。二十世纪8090年代是油水两相流研究的一个高潮。美国Tulsa大学的Traller通过对前人实验工作的总结，将水平油水两相流流型分为分层流和分散流两大类。英国帝国理工大学的Angel在进行的水平油水两相流实验中，观察得到的流型与Trallero的流型基本一致，同时也观察到并定义了三层流流型。以色列特拉维夫大学的Brauner等也对水平油水两相流的流型进行过实验研究，并对流型转化物理机理进行了研究。Brauner 在前人工作和实验研究的基础上，全面总结了水平油水两相流流动结构、流型转变机理、油水分层流动时界面的形状及计算等内容，给出了水平油水两相流流型转化得物理模型。这段时期仍以实验研究为主，流型辨识主要是采用电阻抗法结合高速摄影技术来了解油水两相流的流型特征，在一定程度上消除了流型辨识主观性，并从实验和理论分析两方面提出了基于流型的摩擦压降预测模型或特定流型情况下的经验公式。近年来，国内在油水两相流流动规律及资料解释方面的研究取得了较大的进展。陈杰等在内径为26.1mm、长约30m的水平不锈钢多相流实验环道上进行油水两相流实验，测量并观察到了7种油水两相流流型，同时建立了油水两相管流流型的转换准则。姚海元在内径为25.7mm，长52m的水平不锈钢油水两相流实验环道内对油水两相流流型及其转换特性进行了实验研究，定义了12种流型，利用量纲分析的方法得到了流型转换的准则关系式。吴铁军等在内径为40mm，长度为20m的有机玻璃管内进行水平油水两相流实验，定义了不同流动条件下的九种流型，并采用无量纲准则数以及半理论公式对流型转变进行了预测。总之，在近半个世纪的油水两相流研究中，许多研究者的大量工作都集中在实验研究上，从早期六七十年代通过观察辨识，到八九十年代之后采用了不同的光、电、射线等测试手段更为准确地测取各种油水两相流动特性参数，为进一步研究油一水两相流动规律奠定了实验基础。1.2.2 数值仿真部分石油工业中对多相流的分析过程可分为三个发展阶段：经验阶段、“苏醒”阶段与建模阶段，共同组成了过去世纪的一大半时间。在经验阶段中，所有的努力都集中在实验室所得数据与现场所得数据的相关性方面，根据两者的关系，试图包含所有工作条件范围的模型。而随着19世纪80年代个人计算机的出现，处理更复杂流型的能力得到了加强，在这个阶段中，石油中很多研究都是关于多相流的，后来的建模阶段是在核工业取得进步的基础上强化的。尽管核工业处理的较简单流体(水和气)，但是它的研究为石油工业中两相流的分析指明了方向。随着近几年国内外一些学者对油水两相流的研究焦点主要集中在对油水均为层流的分层流动的模拟和解析求解上，数值模拟逐渐成为了主要的研究手段。计算机技术的发展，也为利用计算流体动力学软件对油水两相进行数值模拟提供了条件。最早尝试描述流型间互相转化工作原理的是Taitel和Dukfer，他们一直致力于研究水平管多相流和近似水平管多相流。他们的研究成果被认为是预测多相流变化的经典理论之一，并与其它理论的物理见解融合到石油工业多相流分析中，更加开创了多相流流型转化领域研究的先河。Rashmi G.Walvekar等对水平油水两相流进行数值模拟，研究结果表明CFD技术可为水平油水分散流提供数值模拟应用。Christphe Vallee等对水平油水层状流进行了数值模拟与实验结果比较，表明数值模拟是分析水平油水运动的一项有用工具，Hui Gao等通过比较水平油水两相流湍流数值模拟与实验结果的压力损失和滑动系数等参数表明CFD可应用于分层流湍流模型中。19世纪90年代后，已经有许多商业化的能够完成专门任务的两相流软件包，例如:OLGA，TACITE，PEPITE及PIPESIM等等。当前，石油工业中研究多相流建模的最基本、严谨的方法是二流体建模法。在二流体建模中，每中流体相都有三个单独的守恒方程(质量、动量及能量)，总共六个方程式，每个方程式都注明了两种流体相互作用的条件。1.3 多相流理论 多相流系统广泛存在于化工、石油、能源、冶金、环保和轻工等各个工业领域，工业生产中的能量、质量运输或材料加工都是依靠多相流现象来实现的。特别是在核能、化工、石油等工业领域内，多相流系统起着至关重要的作用。同时，多相流现象也广泛存在于自然界和其他工程领域中，例如雨、雪、云、雾的飘流，生物体中的血液循环等。多相流的研究是以工程热物理为基础，与数学、力学、环境、材料等学科相互融合和发展，在科学研究、工业生产、环境保护以及人类生活中日益重要，是目前国内外极为关注的研究热点。1.3.1 多相流体定义及分类 相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分，各相之间有明显可分的界面。各部分均匀的固体、液体和气体分别称为固相物体、液相物体和气相物体，也统称为单相体。由于气体和液体具有流动的特性，二者一般统称为流体，各部分均匀的气体或液体的单项物质的流动便称为单相流。系统内有两种或多种不同相的物质流动，我们则称之为两相流或多相流。多相流根据参与流动各相的数目一般可分为两相流和三相流。其中，两相流可以分为四种:气液两相流、气固两相流、液固两相流以及由两种不能均匀混合的液体一起流动的液液两相流。例如在石油工业中，三种普遍的工作流体(石油、天然气和水)可以排列组成四种不同的两相流体:气液、液液、固液、固气。固相可以通过两种途径加入流体，一种是来自油层自身:生产过程中钻头的运动和沙子的形成，使得固相加入到了流体中;另一种是主要产品生产条件形成的复杂固相结构，例如天然气中的碳氢化合物石油流体中的石蜡和沥青。1.3.2 两相流基本流动参数在两相流流动参数研究中，主要参考以下参数。假设两相分别为a相和b相。在两相流系统中，由于存在流体间的相对运动，除了表征两相流混合整体的流动速度之外，还有表征各个分相的实际速度，表观速度以及表征分相速度差异的相对速度，分相实际速度比。时间内管道截面上通过的某相得体积与其所占的管道截面面积之比为相速度(phase velocity)：Va=QaAa,Va=QbAb式中Qa为a相体积流量，Qb为b相体积流量，Aa为a相所占的管截面积，Ab为b相所占的管截面积。单位时间内通过管道截面的两相流体的总体积与管截面积的比值为混合速度：Vm=Qa+QbA式中Vm为混合速度，A为管截面积。除了两相间的相对运动，两相流流动系统各相在管截面方向存在浓度分布特性。持率表示在管道上的某一流动截面上，某相所占的截面积与总流通面积的比值：Ya=AaA式中Ya为a相持率。含率表示某相体积流量与两相混合物体积流量的比值：Ka=QaQa+Qb式中Ka为a相含率。第二章 计算流体动力学理论2.1 计算流体动力学概述CFD(Computational Fluid Dynamics），即计算流体动力学, 简称CFD。CFD是近代流体力学，数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的边缘科学。它以电子计算机为工具，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究，以解决各种实际问题。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。是目前国际上一个强有力的研究领域, 是进行多相流研究的核心和重要技术。CFD的基本思想可以归结为:把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD 最近20 年中得到飞速的发展, 除了计算机硬件工业的发展给它提供了坚实的物质基础外, 还主要因为无论分析的方法或实验的方法都有较大的限制, 例如由于问题的复杂性, 既无法作分析解, 也因费用昂贵而无力进行实验确定, 而CFD 的方法正具有成本低和能模拟较复杂或较理想的过程等优点。经过一定考核的CFD 软件可以拓宽实验研究的范围, 减少成本昂贵的实验工作量。在给定的参数下用计算机对现象进行一次数值模拟相当于进行一次数值实验, 历史上也曾有过首先由CFD 数值模拟发现新现象而后由实验予以证实的例子。CFD 软件一般都能推出多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、紊流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应等等。对每一种物理问题的流动特点, 都有适合它的数值解法, 用户可对显式或隐式差分格式进行选择, 以期在计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳。CFD 软件之间可以方便地进行数值交换, 并采用统一的前、后处理工具, 这就省却了科研工作者在计算机方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低效的劳动, 而可以将主要精力和智慧用于物理问题本身的探索上。CFD 软件的一般结构由前处理、求解器、后处理三部分组成。前处理、求解器及后处理三大模块, 各有其独特的作用, 分别表示如下:前处理求解器后处理作用1. 几何模型2. 划分网格1. 确定CFD方法的数学模型2. 选择离散方法进行离散3. 选用数值计算方法4. 输入相关参数速度场、温度场、压力场、以及其他参数的计算机可视化以及动画处理CFD的长处是适应性强、应用面广。首先，流动问题的控制方程，一般是非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，很难求得解析解，而用CFD方法则有可能找出满足工程需要的数值解;其次，CFD可利用计算机进行各种数值试验，例如，选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验，从而进行方案比较。再者，CFD不受物理模型和实验模型的限制，省钱省时，有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高温、有毒、易燃等真实条件和实验中只能接近而无法达到的理想条件。 CFD也存在一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适合于在计算机上进行计算的离散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差;第二，它不像物理模型实验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原体观测或物理模型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证:第三，程序的编制及资料的收集、格理与正确利用，在很大程度上依赖于经验与技巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产生数值粘性和频散等伪物理效应。而且，CFD涉及大量数值计算，常需要较高的计算机软硬件配置。CFD有自已的原理、方法和特点，数值计算与理论分析、实验观测相互联系、相互促进，但不能完全替代，三者各有各的适用场合。在实际工作中，需要注意三者有机的结合，争取做到取长补短。2.2 FLUENT软件概述 Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60%，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。2.2.1 FLUENT简介CFD商业软件FLUENT，是通用CFD软件包，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而FLUENT能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解的自适应网格技术及成熟的物理模型，使FLUENT在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流、旋转机械、动/变形网格、噪声、材料加工、燃料电池等方面有广泛应用。2.2.2 FLUENT基本特点FLUENT软件具有以下特点：FLUENT软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常模拟功能；FLUENT软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；FLUENT软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术；FLUENT软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的；FLUENT软件包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-模型组、k-模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和V2F模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型；适用于牛顿流体、非牛顿流体；自由表面流模型，欧拉多相流模型，混合多相流模型，颗粒相模型，空穴两相流模型，湿蒸汽模型；高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置MPI并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算；FLUENT软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF）；FLUENT软件采用C/C+语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。在CFD软件中，Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的商业软件之一。Fluent的软件设计基于CFD计算机软件群的概念,针对每一种流动的物理问题的特点，采用适合于它的数值解法在计算速度、稳定性和精度等各方面达到最佳。由于囊括了Fluent Dynamical International比利时PolyFlow和Fluent Dynamical International(FDI)的全部技术力量(前者是公认的在黏弹性和聚合物流动模拟方面占领先地位的公司,后者是基于有限元方法CFD软件方面领先的公司 ),因此Fluent具有以上软件的许多优点。2.2.3 FLUENT计算方法优点FLUENT同传统的CFD计算方法相比，具有以下的优点：1、稳定性好，FLUENT经过大量算例考核，同实验符合较好；2、适用范围广，FLUENT含有多种传热燃烧模型及多相流模型，可应用于从可压到不可压、从低速到高超音速、从单相流到多相流、化学反应、燃烧、气固混合等几乎所有与流体相关的领域；3、精度提高，可达二阶精度。2.2.4 FLUENT模块组成前处理软件：Gambit。本文使用Gambit 2.3.16。Gambit软件是面向CFD的前处理软件，用于模型网格的生成，复杂的模型可以用Gambit或者由CAD软件建立。Gambit根据几何形状及CFD计算可生成结构化、非结构化、或混合网格。求解器：Fluent。本文使用Fluent6.3.26。Fluent基于非结构化网格的通用CFD求解器，针对非结构性网格模型设计，是用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场问题的CFD软件。可应用的范围有紊流、热传、化学反应、混合、旋转流（rotating flow）及震波（shocks）等。后处理软件：Fluent求解器本身就附带有比较强大的后处理功能。另外，本文使用Microsoft Office Excel 2007中的一些功能对油水两相流的相含率数据进行了可视化处理。2.3 流体动力学控制方程流体流动要受到物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，如果流体有不同的成分的混合或者相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。控制方程就是这些守恒定律的数学描述。2.3.1 质量守恒方程任何流动问题必须满足质量守恒定律，该定律可以描述为：单位时间内了流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律，可以得出质量守恒方程(mass conservation equation)。t+ux+vy+(w)z=0式中，是速度，t是时间，u、v是速度矢量在x、y两个方向上的分量。上式是瞬间三维可压流体的质量方程。如果流体是不可压的，则密度为常数，上式变为：ux+vy+wz=0如果流体流动处在稳态，则密度不会随时间变化，上式变为：ux+vy+(w)z=0质量守恒方程(2-1)也称作连续方程(continuity equation)。2.3.2 动量守恒方程流体流动同时也要满足动量守恒定律。该定律可以表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。该定律实际就是牛顿第二定律。按这一定律，可以导出动量守恒方程(momentum conservationequation)：ut+divuu=-px+xxx+yxy+zxz+Fxvt+divvu=-py+xyx+yyy+zyz+Fywt+divwu=-pz+xzx+yzy+zzz+Fz 式中，p 是流体微元体上的压力；xx，yx和zx等式因分子粘性作用而产生的作用在微元体便面上的粘性应力的分量；Fx、Fy和Fz是微元体上的体力，若体力只有重力，且 z 轴竖直向上，则Fx=0、Fy=0和Fz=-g。上式是对任何类型的流体均成立的动量守恒方程，简称动量方程，还称Navier-Stokes 方程。2.4 两相流模型研究方法2.4.1 常用的离散化方法区域离散化就是用一组有限多个离散的点来代替原来连续的空间。常用的离散化方法有有限差分法、有限元法和有限体积法有限差分法(FDM)是数值解法中最经典的方法。它是将求解区域划分为差分网格，用有限个网格节点代替连续的求解域，然后将偏微分方程的导数用差商代替，推导出含有离散点上有限个未知数的差分方程组。构造差分的方法有多种方式，主要采用的方法是泰勒级数展开方法。有限元法(FEM)是将一个连续的求解域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构造插值函数，然后根据极值原理，将问题的控制方程转化为所有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即将局部单元总体合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待求的函数值。有限体积法(FVM)是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积积分，从而得到一组离散方程。其中的未知数是网格节点上的因变量。子域法加离散，就是有限体积法的基本思路。有限体积法得出的离散方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都要满足，即对整个计算区域都要满足，这个特点是有限体积法的优点之一。三种方法各有所长：有限差分法直观、理论成熟、精度可选，但是不规则区域处理繁琐；有限元法适合于处理复杂区域，精度可选，其不足之处在于内存和计算量很大；有限体积法适合于流体的计算，可以应用于不规则网格，同时适于并行计算，但是其精度基本上只能是二阶的。FLUENT 正是基于有限体积法的。2.4.2 FLUENT 中的多相流模型及选择在 FLUENT 中，一共有三种多相流模型，分别是 VOF(Volume of Fluid)模型、混合(Mixture)模型和欧拉(Eulerian)模型。(1).VOF 模型VOF 模型是一种在固定的欧拉网格下的表面跟踪方法。该模型通过求解单独的动量方程和处理穿个区域的每一流体的容积比来模拟两种或者三种不能混合的流体。典型的应用包括流体喷射、流体中大泡运动、流体在大坝坝口的流动等。(2)Mixture 模型该模型是一种简化了的多相流模型，用于模拟各相具有不同速度的多相流，但是假定了在短空间上尺度上局部的平衡。相之间的耦合应当是很强的。混合物模型求解的是混合物的动量方程，并通过相对速度来描述里三相。通常应用于水力旋流器、低负载的粒子负载流、沉降等。(3)Eulerian 模型Eulerian 模型可以模拟多相分离流及相互作用的相，相可以是气体、液体或固体。该模型是 FLUENT 中最复杂的多相流模型，它建立了一套包含有 n 个的动量方程和连续方程来求解每一相。压力项和各界面交换系数是耦合在一起的。耦合的方式则依赖于所含相的情况。欧拉模型的应用包括气泡柱、上浮、颗粒悬浮和流化床。本文采用的是 VOF 模型。2.4.3 VOF 方法的数学原理1981 年，Hirt 和 Nichols首先提出了 VOF(Volume of Fluid)方法。它是一种可以处理任意自由面的方法。其基本原理是利用计算网格单元中流体体积量的变化和网格单元本身体积的比值函数 F 来确定自由面的位置和形状。在数学上通常假定任意函数 f ( x , y )，其定义如下：f(x,y,t)=1, 在(x,y)点有该相流体质点f(x,y,t)=0, 在(x,y)点无该相流体质点由上述定义函数可知，f 是随流场变化的。Si,j为单个网格的体积,在每个网格Si,j上定义Fi,j为f(x,y,t)在网格上的积分Fi,j=1Si,jSi,jfx,y,tdxdy上式称之为VOF函数。如果不考虑剧烈的相变，根据连续性介质概念，函数 f 随质点的运动而保持不变，其随体导数为零，流体体积传输方程的形式如下：ft+ufx+vfy=0根据不可压缩流体的连续性方程，则守恒形式的传输方程如下：ft+ufx+vfy=0由上可以得出每个网格上的流体体积函数实际上是F=（网格中的流体体积）/（网格体积）F=1 的网格充满流体 A，称之为流体网格(fluid)；当 F=0 时为空网格(void)；而 0F1 的网格，则是含油流体界面的网格，称之为界面网格(surface)。2.5 FLUENT 中模型的建立及网格划分网格是 CFD 模型的几何表达式，也是模拟与分析的载体。网格质量对 CFD计算精度和计算效率有着极其重要影响。本文中使用 Gambit 软件生成网格。2.5.1 网格的类型网格(grid)分为结构网格(structured grid)和非结构网格(unstructured grid)两大类。结构网格即网格中节点排列有序、邻点间的关系明确；非结构网格中节点位置无法用一个固定的法则予以有序的命名，这种网格虽然生成过程比较复杂，但是有着很好的适应性，尤其对于具有复杂边界的流场计算问题特别有效。2.5.2 网格单元的分类单元(cell)是构成网格的基本元素。在结构网格中，常用的 2D 网格单元式四边形单元，3D 网格单元式六面体单元。而在非结构网格中，常用的 2D 网格单元还有三角形单元，3D 网格单元还有四面体单元和五面体单元，其中五面体单元还分为楔形和金字塔型单元。2.5.3 生成网格的步骤无论是结构网格还是非结构网格，都需要按照下列过程生成网格：1.建立几何模型。几何模型是网格和边界的载体。对于二维问题，几何模型是二维面；对三维问题，几何模型是三维实体。2.划分网格。在所生成的几何模型上应用选定的网格类型、网格单元和网格密度对面或体进行划分，获得网格。3.指定边界区域。为模型的每个区域指定名称和类型，为后续给定模型的物理属性、边界条件和初始条件做好准备。第三章 集流后水平油水两相流瞬态流型特性研究3.1 水平油水两相流FLUENT数值模拟利用 Fluent 进行数值模拟时，其主要步骤如以下图所示。3.1.1 水平油水两相流几何模型建立及网格划分为了对本次实验中集流器后的水平油水两相流流动状态进行数值模拟，建立了二维模型。具体几何尺寸如图所示：在 Gambit 中，对二维网格选用三角形网格单元，创建非结构网格，共划分了205821个网格， 同时在 Gambit 中为模型的每个区域定义边界条件，将内部定义为流体(fluid)，进液端设为速度入口(velocity-inlet)，出液端设为出口(outflow-outlet)，其他设为壁面(wall)。由于流速相对较慢，需要大量的时间才能使流型发展充分，才能再观察流型 特点。因此，在细管道前加入了粗管及喇叭状的集流装置，使得细管内的流速相 对于集流管管迅速增加，加快管道内流型的发展速度。3.1.2 水平油水两相流FLUENT求解器参数设定在网格划分成功之后，就要确定求解器类型和计算模式。FLUENT 提供了分离式和耦合式两种求解器。分离式求解器(segregated solver)就是顺序地、逐一地求解各方程，即先在全部网格上解出一个方程后，再解出另一个方程。耦合式求解器(coupled solver)是同时求解连续方程、动量方程、能量方程及组分输运方程的耦合方程组，然后再逐一地求解湍流等标量方程。而耦合求解器又分为隐式和显式两种，隐式(implicit)的物理意义是对于给定变量，单元内的未知量用临近单元的已知和未知值来计算。显式(explicit)的物理意义是对于给定变量每一个单元内的未知量用只包含已知值的关系式来计算。在分离式求解器中，只采用隐式方案进行控制方程的线性化。一般的，分离式求解器主要用于不可压动和微可压流动，而耦合式求解器用于高速可压了流动。因为在第二章中已经提到，选择了 VOF 模型，在 FLUENT 中 VOF 模型只存在于分离式求解器中，在耦合式求解器中式没有的，同时在分离式求解器中，只采用隐式方案进行控制方程的线性化，所以在本文中进行油水两相流瞬态数值模拟时，采用的是分离式求解器和隐式方案。由于控制方程式非线性的，因此求解必须经过多次迭代才能获得收敛解。每一轮迭代由如下步骤组成：(1)根据当前的解的结果，更新所有流动变量。如果计算刚刚开始，则用初始值来更新。(2)按顺序分别求解 u,v,w 动量方程，得到速度场。(3)因第(2)步中得到的速度很可能不满足连续方程，因此，用连续方程和线性化的动量方程构造一个 Poisson 型的压力修正方程，然后求解该压力修正方程，得到压力场与速度场的修正值。(4)利用新得到的速度场和压力场，求解其他标量（如温度、湍动能和组分等）的控制方程。(5)对于包含离散相得模拟，当内部存在相间耦合时，根据离散相得轨迹计算结果更新连续相的源相。(6)检查方程组是否收敛。若不收敛，回到第(1)步，重复进行。对于参考压力，设置为标准大气压。同时选择重力选项，并设定重力加速度，这样做事因为在默认情况下，FLUENT 是不计重力的。模拟中油水两相流物性条件参数的设定如下：不考虑压力温度的变化，使用 FLUENT 本身自带的数据库中材料物性条件定义水密度998.2kg/m3，粘度0.001003kg/m-s；油密度850kg/m3，粘度0.01kg/m-s。边界条件和初始条件一起并称为定解条件，只有在边界条件和初始条件确定后，流场的解才存在，并且是唯一的。边界条件就是流场变量在计算边界上应该满足的数学物理条件。本文中水平油水两相流数值模拟中入口设为速度进口(velocity inlet)，出口设为出流(outflow)。管道管壁设为固体壁面（wall）。在使用 VOF模型的时候，还需要设定次要相的体积百分比。湍流参数I,DH (湍流强度、水力直径)的确定：湍流强度时表征速度波动与平均流动速度之比的特征参数。湍流强度I(turbulence intensity)可以计算得到：I=uu=0.16ReDH-18DH是水力直径的意思。水力直径是表征湍流受到障碍物的阻碍时，湍流涡旋受到限制成都的物理量，这里水力直径等于管线直径(125mm)。3.2水平油水两相流仿真结果与分析本文中的水平油水两相流数值模拟方案是固定水流量，通过改变油流量改变油相含率。水流速固定为1.8421m/s，油流速由0.7368m/s到3.3157m/s，共分为9种工况。这9种工况如下表所示：工况123456789混合物总流速（m/s）2.57892.94733.31573.49993.68424.05264.42104.78945.5178油相含率（%）28.5737.5044.4447.3750.0054.5558.3361.5364.293.2.1 集流后细管内瞬态相含率分布设置时间间隔为0.05s，迭代步数为300。对上述9 种工况分别进行数值模拟仿真，并分别保存仿真的管道流型油相含率分布图。如下所示： (1)工况一(2)工况2(3)工况3(4)工况4(5)工况5(6)工况6(7)工况7(8)工况8(9)工况9图中颜色标尺由下端的蓝色至顶端的红色，分别表示油相持率由0100%变化。分别为水流速固定为1.8421m/s，油流速由0.7368m/s到3.3157m/s，共分为9种工况数值模拟油相含率分布图。 第一到第四张图中,混合物总流速分别为2.5789m/s，2.9473m/s，3.3157m/s，和3.4999m/s，对应前四种工况。可以看到，以上四种情况均为水包油全分散流型。从图(1) (4) 的演化过程可以看出，随着油流量的增加，在流型中油泡逐渐变大变多。第六到第九张图中，水流速固定为1.8421m/s，油流速为 2.2105m/s、2.5789m/s、2.5789m/s、2.9473m/s和3.3157m/s的数值模拟油相含率分布图。这四种工况的模拟结果均属于上层油包水、下层水包油（D W/O&D O/W) 的双分散流型。亦可由油相含率分布图看出，随着油流量的增加，上层油包水与下层水包油之间的界面逐渐下移，即油包水的流层逐渐占主要部分。如若继续增加油流量，可以预测流型会发展为全空间的油包水（D O/W)的全分散典型流型。图(5)表示水流速、油流速均为1.8421m/s工况下的数值模拟油相含率分布图。这种工况下的流型不能很清晰地划分为水包油（D O/W)全分散流型和上层油包水、下层水包油（D W/O&D O/W)双分散流型，因而这里可以归为由水包油全分散流型到上层油包水下层水包油双分散流型的过渡流型。3.2.2 细管内径向(Y轴)平均油相体积含率应用FLUENT软件包中Surface下的Line/Rake功能，提取距细管出口20mm至500mm处共30个位置（每隔20mm取一）的油相含率分布数据，使用MicrosoftOffice Ex