计算流体力学在石油工业中的应用.ppt

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 2 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 3 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 理想流体 平面流动等 4 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 5 二 实验流体力学 实验流体力学 experimentalfluidmechanics 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 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 6 两相管流 7 8 9 10 11 粒子图像速度场仪 Particleimagevelocimetry PIV 粒子成像测速 全名 ParticleImageVelocimetry 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 12 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 13 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 14 PIV系统示意图 15 PIV粒子图像测速系统 ParticleImageVelocimetry PIV 定量化的图像显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 16 PIV 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 VelocityofparticleAux x tas t0uy y tas t0 流动平面 片光源 x y 17 互相关处理 粒子位移 查询网格 Crosscorrelation Vectorfield Cross correlation frame1 frame2 查询网格 18 PIV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 532 5nm窄带滤波镜 高速数字影像数据采集板 19 软件平台系统硬件控制图像分析 显示软件平台 PIV系统组成 2维PIV系统 3维PIV系统 20 双腔激光器 脉冲能量 200mJ pulse3 5ns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到超音速脉冲频率 15Hz532nm波长 21 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 22 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 23 时序同步控制器 24 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 ComputationalFluidDynamics 25 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 26 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 27 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 28 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 29 PHOENICS简介 PHOENICS简介PHOENICS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PHOENICS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 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 30 PHOENICS软件 求解流程图 31 VR编辑器中主控菜单 32 运行后的VR视图器 33 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 FLUENT6 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 34 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FLUENT能够处理大量的具有不同结构的网格拓扑结构 35 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 36 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 FLUENT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 37 例子 圆柱绕流 38 飞机绕流 39 叶轮机械 40 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 41 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 往往按同心环空轴向层流来处理 42 非牛顿流体在环形空间的轴向层流的流动特性对于防止抽油杆偏磨 钻进速度和固井质量有着不可忽略的作用 近年来 许多研究人员对幂律流体在环空中稳定层流进行了大量研究 得出一些对生产实际有重要价值的结论 对于紊流规律的研究 在石油工业以及其它许多行业中也都具有非常重要的意义 43 44 45 46 图6 10不同浓度流体轴向速度分布 47 2 PHOENICS软件在模拟射流泵的应用 高压水射流在石油工业中应用非常广泛 在水平井钻井 射孔压裂 老井改造中均可采用水射流 射流喷嘴是水射流技术应用中的核心部件 其结构直接影响到射流质量 实验证明 采用性能良好 材料适宜的喷嘴 能极大地提高射流效率 因此 对射流喷嘴的结构与射流性能之间的关系进行研究是非常必要的 石油行业中应用的水射流多为非自由淹没射流 采用的喷嘴形式较多的为锥直型喷嘴 射流流场较为复杂 采用CFD软件Fluent对锥直型喷嘴纯水射流流场进行数值模拟 研究在淹没射流情况下锥直型喷嘴结构参数对射流流场的影响 48 射流泵是一种依靠流体之间动量交换来工作的流体机械泵 jet st系列射流泵 环保型射流泵 49 射流泵简介 射流泵的结构 射流泵原理图 射流泵结构示意图 50 射流泵优点 没有运动件 具有结构简单 工作可靠 易于操作 便于维护和综合利用等特点 被广泛应用于农牧渔业 水利电力 交通运输 环境保护 建筑施工 矿山冶金 石油及地质勘探 医药 化工 航空航天等行业 射流泵缺点 效率不高 最高效率只有42 因此限制了它的使用 51 射流泵简介 射流泵的工作原理工作流体通过喷嘴高速喷出 同时静压能部分转换为动能 管内形成真空 低压液体被吸入管内 两股液体在喉管中进行混合和能量交换 工作液体速度减小 被吸液体速度增大 压力逐渐增加 在喉管出口处速度趋于一致 混合液体通过扩散管时 随着流道的增大 速度逐渐降低 动能转化为压力能 混合液体压力随之升高 CFD数值模拟可用于研究喉嘴距 流量比对单相射流泵湍射流场的影响 52 射流泵的结构尺寸 射流泵单相数值模拟 射流泵的结构尺寸 53 射流泵单相数值模拟 54 射流泵单相数值模拟 射流泵的模型 55 射流泵单相数值模拟 由于射流泵为一细长体 流道尺度差别很大 因此采用非等距网格 见下图 56 射流泵单相数值模拟 模拟的结果速度云图和速度矢量图 57 射流泵单相数值模拟 58 射流泵单相数值模拟 流量比对径向速度分布的影响 M 1 8 M 0 68 M 1 28 59 射流泵单相数值模拟 喉嘴距对径向速度分布的影响 Ld 0 4 Ld 1 0 Ld 2 0 Ld 2 2 60 射流泵单相数值模拟 喉嘴距对湍动能分布的影响 Ld 0 4 Ld 1 0 Ld 2 0 Ld 2 2 61 射流泵单相数值模拟 射流泵基本性能曲线 模拟结果与文献结果的对比情况 基本性能曲线 62 射流泵单相数值模拟 模拟结果与文献结果的对比情况 效率曲线 63 射流泵单相数值模拟 最佳喉嘴距 不同Ld对应的最大效率 64 3 埋地管道土壤温度场数值模拟 图4 1土壤温度场物理模型示意图 65 图5 12不稳定的土壤温度场 66 4 PHOENICS软件在其它方面的应用 卡门涡街的由来 西尔多 冯 卡门 1881年 1963年 匈牙利犹太人 航空和航天领域最杰出的一位元老 漫长的科学生涯颇具传奇色彩 他精力充沛 性格开朗 既擅长辞令 又富有幽默感 他阅历极广 到过世界上很多国家 与世界上许多大科学