热油管道FLUENT模拟.docx

油气田地面工程的应用第 7章257.1 热油管路温降分析7.1.1 案例简介与思路分析我国所产原油80以上为凝点较高的含蜡原油。目前含蜡原油多采用加热管输的方式。在热油管道运行过程中，不可避免地会因计划性或事故性的原因而发生停输。原油管道的停输再启动，一直是管道安全运行的核心技术问题。由于热油管道大部分都采用埋地敷设，因此在实际生产、运行中对于停输后热油管道以及土壤温度场分布的研究，具有重要的意义和作用。【案例简介】本例的输油管为5006mm钢管，管中心埋深为1.5m，管外保温层厚度10mm，沥青防腐层厚度6mm。由于涉及到与土壤环境的传热问题，需要考虑大地恒温层及管道热力影响区的水平边界来划定土壤区域范围，本例中选择土壤垂深10m，水平方向的热力半径为10m，如图7-126所示。图7-1 管路温降几何示意图【思路分析】在模拟的过程中分别划分出流体区域与固体区域，然后在选择求解器时采用非耦合式隐式算法，打开能量方程，由于存在温度梯度，因此需要编写UDF来定义边界温度。整个模拟计算的流程如图7-127所示。图7-2 井下节流阀流动模拟流程图【光盘文件】参见附带光盘中的“STARTCh77-6.msh”文件。参见附带光盘中的“ENDCh77-6.cas，6-6.dat”文件。参见附带光盘中的“AVICh77-6.avi”文件。7.1.2 几何建模1启动GAMBIT，单击，依次创建坐标（0，0，0）、(0.25，0，0)、（0.256，0，0）、（0.266，0，0）、（0.272，0，0）的5个点，如图7-128所示。图7-3 创建的点2单击，打开Move/Copy Vertices对话框，选中之前创建的5个点，选择Copy选项，在Operation选项卡中选择Rotate，在旋转角度Angle中输入90，旋转轴Axis选项保持默认，即围绕z轴旋转，单击按钮即可。在旋转角度Angle中输入-90，其他选项保持不变，单击按钮，得到的点如图7-129所示。应用精讲图7-4 创建的点图7-5 创建的圆弧3单击，打开Create Straight Edge面板，创建点1（Vertix.1）与点2（Vertix.2）、点1与点6、点6与点7、点7与点8、点8与点9、点1与点10、点10与点11、点11与点12、点12与点13，共9条线段；右键单击按钮，在下拉选项中选择按钮，打开Create Circular Arc面板，在Center选项右侧选中点1， End-Points选项右侧选中点2、点6，保持Arc选项为默认，单击按钮即可得到所需弧线。同理，可得以点1为Center，点3与点7、点4与点8、点5与点9、点2与点10、点3与点11、点4与点12、点5与点13所形成的圆弧，如图7-130所示。4将线段2、线段9、线段10、线段11、线段12组成一个面，线段1、线段7、线段8、线段9、线段10和线段3、线段4、线段5、线段11、线段12分别组成两个面，单击，在Create Face from Wireframe面板的Edge黄色输入栏中选取需要围成面的线段，单击按钮生成几何面。本例生成的三个面如图7-131所示。图7-6 创建的点图7-7 移动后的面5单击，打开Move/Copy Faces对话框，选中之前创建的5个面，选择Move选项，在Operation选项卡中选择Translate，在坐标Global 中y方向右侧输入-1.5，其他选项保持默认，单击按钮即可，如图7-132所示。6单击，依次创建坐标（0，0，0)、(10，0，0)、（10，-10，0）、（0，-10，0）的4个点；单击，打开Create Straight Edge面板，创建点5（Vertix.5）与点14（Vertix.14）、点14与点15、点15与点16、点16与点17、点17与点13，共5条线段；单击，在Create Face from Wireframe面板的Edge黄色输入栏中选取需要围成面的线段，依次分别为线段14、线段19、线段20、线段21、线段22、线段23、线段18，单击按钮生成几何面，如图7-133所示。图7-8 绘制好的土壤区域7.1.3 网格划分1单击，在Mesh Edges黄色输入栏中选中线段1、线段2、线段6、线段11，线段12，线段13，线段14，线段15，线段16，线段17，线段18，设置Ratio的节点距离比例为1，选择Interval Count分段方式，在左侧输入60，单击按钮生成该线段的线网格；选中线段3、线段5、线段9、线段7，设置Ratio的节点距离比例为1，选择Interval Count分段方式，在左侧输入3，单击按钮生成该线段的线网格；选中线段4、线段8，设置Ratio的节点距离比例为1，选择Interval Count分段方式，在左侧输入4，单击按钮生成该线段的线网格；，划分好的线网格如图7-134所示。图7-9 创建的线网格图7-10 管道区域的面网格2单击，打开Mesh Faces面板，选中已经完成线网格划分的面1、面2，运用Quad单元，Tri Primitive方法对这2个面进行划分，其他设置保持默认即可；选中已经完成线网格划分的面3、面4、面5，运用Quad单元，Map方法对这3个面进行划分，其他设置保持默认，其生成的面网格如图7-135所示。3单击，在Mesh Edges黄色输入栏中选中线段20、线段22，设置Ratio的节点距离比例为1，选择Interval Count分段方式，在左侧输入75，单击按钮生成土壤区域上下两条边的线网格；选中线段21，设置Ratio的节点距离比例为1，选择Interval Count分段方式，在左侧输入80，单击按钮生成土壤区域右侧线段的线网格；选中线段19，线段19的红色箭头方向由上指向下，设置Ratio的节点距离比例为0.95，选择Interval Count分段方式，在左侧输入40，单击按钮生成土壤区域轴线处管道上方线段的线网格；选中线段23，线段23的红色箭头方向由下指向上，设置Ratio的节点距离比例为0.95，选择Interval Count分段方式，在左侧输入75，单击按钮生成土壤区域轴线处管道下方线段的线网格，如图7-136所示。图7-11 土壤区域的线网格 4单击，打开Mesh Faces面板，选中已经完成线网格划分的面6，运用Tri单元， Pave方法对这1个面进行划分，其他设置保持默认即可，其生成的面网格如图7-137所示。图7-12 热油管路传热问题的网格 5单击，在Specify Boundary Types面板中将地面（edge.20）定义为壁面（Wall），名称为di-biao；将底边（edge.22）定义为壁面（Wall），名称为di-bian；将右侧边（edge.21）定义为壁面（Wall），名称为right；将防腐层（edge.14、edge.18）定义为壁面（Wall），名称为fangfuceng；将保温层（edge.13、edge.17）定义为壁面（Wall），名称为baowenceng；将钢管外壁（edge.12、edge.16）定义为壁面（Wall），名称为gangguan-waibi；将钢管内壁（edge.11、edge.15）定义为壁面（Wall），名称为gangguan-neibi；将对称轴（edge.2、edge.3、edge.4、edge.5、edge.6、edge.7、edge.8、edge.9、edge.19、edge.23）定义为壁面（Wall），名称为duichengzhou；，定义好的边界如图7-138所示。图7-13 定义好的边界类型名称列表 6单击，在Specify Continuum Types面板中Name中输入yuanyou，在Type选项中选择FLUENT，在Entity中选择面1、面2，单击按钮，完成对这一区域的定义；在Name中输入gangguan，在Type选项中选择SOLID，在Entity中选择面3，单击按钮；和定义gangguan方法一样，依次定义new_baowenceng（面4）、new_fangfuceng（面5）、turang（面6），定义好的介质类型如图7-139所示。 图7-14 定义好的介质类型7执行FileSave As命令，将工程文件保存为“7-6”。同时，执行ExportMesh命令，输出网格文件7-6.msh。7.1.4 Fluent中的求解设置1由于沿土壤方向存在温度梯度，故需要定义y方向上的温度变化规律。本例的程序如下：#includeudf.hDEFINE_PROFILE(WALL_youbian,thread,index)face_t f;real xND_ND;real y;begin_f_loop(f,thread)F_CENTROID(x,f,thread);y=x1;F_PROFILE(f,thread,index)=273.15+2.2-0.03*y;end_f_loop(f,thread)程序编写好后，保存文件名为d.c，并放至工作目录下。2双击桌面Fluent 14.5图标，在弹出的Fluent Launcher窗口中选择2D计算器，单击OK启动Fluent。3执行FileReadMesh命令，读入划分好的网格文件“7-6.msh”。网格读入之后，在左侧控制树中点击Solution Setup下的General，于中间General控制面板中点击按钮检查网格的信息，待文本窗口中最后一行出现“Done”语句。4点击General控制面板中的按钮，弹出Scale Mesh面板，本例不需要重新定义网格的尺寸。5在General操作面板的Solver下方勾选Gravity，并在Y(m/s2)中输入-9.8，即考虑在Y轴负向存在重力加速度，见图7-140。图7-15 设置重力加速度 6点击操作面板Problem Setup的Models，双击Energy，弹出图7-141所示的Energy对话框，选中Energy Equation，单击OK。回到Models面板，双击Viscous-Laminar，弹出Viscous Model对话框（图7-142），所有选项保持默认，单击OK。图7-16 选择能量方程图7-17 Model控制面板 7由于材料库中没有原油这一材料，需要用户自己定义。单击Create/Edit Materials操作面板右侧的按钮，弹出的图7-143所示的Open Database操作面板。在Database Name中输入new materials，然后点击按钮，弹出图7-144所示的User-Defined Database Materials操作面板。在User-Defined Database Materials操作面板中定义原油的类型为fluid（多相流模型中的固相需要定义为流体类型），名称为yuanyou，物性参数如图中所示，单击Save和Copy按钮，将定义好的原油保存在自定义材料数据库中，并导入到当前工程中进行计算。完后点击Close按钮，关闭User-Defined Database Materials面板。回到Materials控制面板中，即会发现在Materials的Fluid下拉列表中存在了空气和原油两种材料。图7-18 Create/Edit Materials操作面板图7-19 User-Defined Database Materials对话框 8接下来定义固体钢管、保温层、防腐层和土壤。单击Create/Edit Materials操作面板右侧的按钮，弹出Open Database操作面板。在Database Name中输入new materials，然后点击按钮，弹出User-Defined Database Materials操作面板。在User-Defined Database Materials操作面板中分别定义钢管、保温层、防腐层的类型为solid，名称依次为gangguan、baowen、fangfu-liqing、turang，物性参数分别如图7-145、图7-146、图7-147和图7-148中所示，单击Save和Copy按钮，将定义好的原油保存在自定义材料数据库中，并导入到当前工程中进行计算。完后点击Close按钮，关闭User-Defined Database Materials面板。回到Materials控制面板中，即会发现在Materials的Fluid下拉列表中存在了钢管、保温、防腐沥青、土壤和铝5种材料。图7-20 钢管的定义图7-21 保温层的定义图7-22 防腐沥青层的定义图7-23 土壤的定义 9打开Cell Zone Conditions面板，双击Zone区域的gangguan，弹出Solid对话框，在Material Name右侧的下拉菜单中选择gangguan，其他设置保持默认，单击OK，完成对钢管区域的定义，如图7-149所示。其他保温层、防腐沥青层、土壤的设置相同，如图7-150、图7-151、图7-152所示。我们把原油当做热源向外散热，因而原油的温度我们假定它是不变的，赋予它初始的温度，具体设置如图7-153，图7-154所示。图7-24 钢管区域的定义图7-25 保温区域的定义图7-26 防腐区域的定义图7-27 土壤区域的定义图7-28 Fluid操作面板图7-29 原油区域的定义 10点击Problem Setup中的Boundary Conditions，在其面板中选择gangguan-neibi，保持下方Phase中选择为mixture，点击Edit按钮，弹出Wall对话框，其具体设置如图7-155所示。gangguan-waibi、baowenceng、fangfuceng、di-bian、di-biao的设置如图7-156、图7-157、图7-158、图7-159、图7-160所示。下来我们主要说一下right的设置，其他设置步骤与上面一样，在Wall对话框的Temperature右侧框的下拉菜单中，选中我们自己编写的壁面条件（图7-161），单击OK。图7-30 钢管内壁的设置图7-31 钢管外壁的设置图7-32 保温层的设置图7-33 防腐层的设置图7-34 底边的设置图7-35 地表的设置图7-36 土壤右边的设置 11执行DefineUser-DefinedFunctionsInterpreted命令，弹出如图7-162所示的解释对话框，单击对话框右侧的按钮，选择之前保存到目录文件下的d.c文件，单击。可以看到Interpreted UDFs中已经出现编译好的文件，为了可以看到汇编程序，我们可以选择Display Assembly Listing选项（图7-163），单击，完成自定义边界。图7-37 Interpreted UDFs对话框图7-38 加载好的程序12点击Solution操作面板中的Solution Methods，展开Solution Methods面板，这里保持默认算法设置。13点击Solution操作面板中的Solution Controls，展开Solution Controls面板，保持默认的松弛因子设置。14 接下来，对流场进行初始化，点击左侧控制树中的Solution Initialization，在中间区域的Solution Initialization控制面板中，选择Compute from为all-zones，保持Initial Values中的默认值，点击按钮，完成初始化。15初始化后，点击左侧控制树中的Monitors，双击中间控制面板的Residuals-Print, Plot，弹出Residual Monitors操作面板。在Residual Monitors操作面板勾选Plot，以打开残差曲线图。Fluent默认各参数的收敛精度要求为0.001，本例保持默认，点击OK。16点击左侧控制树中的Run Calculation，在中间的Run Calculation控制面板中，设置Number of Iterations（迭代步）为500步，单击开始解算。17计算进行到第3步收敛，接下来我们再进行非稳态运算。在General对话框Solver选项卡中选中非稳态运算（Transient），如图7-164所示；打开Cell Zone Conditions面板，