数值模拟步骤

1、数值模拟1、CFD方法简介利用CFD方法，采用流体力学分析软件 Flue nt对三相分离器的流场进行了研究 和分析，为实验研究提供理论支持。CFD是英文Computational Fluid Dynamics(计算流体动力学)的缩写,是一门用 数值计算方法求解流动主控方程以发现各种流动现象规律的学科 。用 CFD 技术进行 数值求解的基本思想是 : 把原来在空间与时间坐标中连续的物理量的场 , 用一系列 有限个离散点上的值的集合来代替 , 通过一定的原则来建立离散点上变量值之间关 系的代数方程 , 求解代数方程以获得所求解变量的近似值。 其主要用途是对流态进行 数值仿真模拟计算，因此，CFD技

2、术的用途十分广泛，可用于传质、传热、动量传递 及燃烧等方面的研究。流体机械的研究中多用CFD方法对分离器进行仿真模拟，其基本应用步骤如下：1) 利用 Gimbit 进行前处理a. 根据分离的形状、结构及尺寸建立几何模型；b. 对所建立的几何模型进行网格划分；2) 利用 Fluent 进行求解a. 确定计算模型及材料属性；b. 对研究模型设置边界条件；c. 对前期设置进行初始化，选择监视器，进行迭代计算；3) 利用 Fluent 进行后续处理，实现计算结果可视化及动画处理。上述迭代求解后的结果是离散后的各网格节点上的数值 , 这样的结果不直观。因 此需要将求解结果的速度场、 温度场或浓度场等用计

3、算机表示出来， 这也是 CFD 技术 应用的必要组成部分。利用CFD方法进行仿真模拟可以对分离器的结构设计及参数选择作出指导，保证设计的准确度，也可以为分离器样机的试验提供理论参考。由于CFD仿真模拟的广泛 使用及其重要性，国内外很多学者，如Mark D Turrell 、M.Narasimha、师奇威等都对其进行了研究，尤其是 A.F. Nowakowski及Daniel J.SUASNABAR等人对CFD技术 在旋流器模拟方面的应用做了详细的介绍，这些工作对CFD技术的发展起到了积极的 促进作用。2、控制方程流体流动要受物理定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律，动量守恒 定律、能量

4、守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还应要遵守附加的湍流输运方程。1、基本假设(1) 鉴于我国各主力油田采出液含水已达到 80%以上，故以水代替采出液进行分 析计算；天然气的主要成分是是甲烷，故采用甲烷的替代天然气的性质；(2) 在工作状态下，流动不随时间变化，流动为稳态；(3) 水在管内的流动可以简化成二维流动；(4) 不考虑温度的影响，服从绝热流动基本方程。2、基本控制方程(1)连续性方程在直角坐标系下的质量守恒方程又称连续性方程：-：xi(1-1)(2)动量方程:(pUj)空+JL(心CX CXj OXj(1-2)式(1-1，1-2)中u为流体速度，下标i表示方向，上标"”表示

5、脉动值，上标“-” 代表对时间的平均，卩为动力粘度，p为流体微元体上的压力。由于RNG k-£模型在工程流场计算中具有诸多优势，故对结构内部的数值模拟 采用RNG- &模型进行。RN(k- £模型是改进的标准k- £模型，其原理是用紊动能 k和紊动能耗散率£来表示流体湍流粘性系数，而流体的有效粘性系数即是流体分子 粘性系数和湍流粘性系数之和。k方程和£方程分别为：Ck):t十屮ku)EX二 7 - kUeffGk xj(1-3)-:t :xiXj(1-4)其中:k2丄eff = " 叫，丄t =C,C a - 0.0854,心

6、= 1.39* n(1- G ； = G ； -=3 QT.42©.68(1-5)=圧引空Ej寸寸弓）"4.370.012RNG- &模型通过修正湍流粘度，考虑了平均流动中的旋转和旋流流动情况， 在 &方程中增加了一项，从而反映了主流的时均应变率 Ej，这样，RNG k-£模型中产 生项不仅与流动有关，而且在同一问题中也还是空间坐标的函数。故 RNG k-£模型 可以更好的处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。3、网格划分借助gambit软件对直管段划分结构网格，对非直管段划分非结构网格。四种结 构的网格划分如图所示：结构一结构三结构二结

7、构四5、模型的选择及边界条件的确定应用多相流中的欧拉模型；控制方程采用 RNG k-£模型；入口边界条件设置为 速度入口，出口边界条件设置为自由出流；由于入口两相中含夜体积分数极小，湍动 粘度影响远大于重力，固忽略重力的影响；湍流强度设置为10%水力直径为圆管内流 道截面直径。6模拟结果分析6.1结构一的模拟1）入口流速3m/s,液相体积分数分别为：0. 001%、0.003%、0.005% 三种情况气相浓度场分布如图所示：IS MrOl仙畑切s Qftdi-iXMlF WWCBHa，OJWSCerisun tf '/4lbini： ImaiBa 申imI)Rw 07.291

8、*1FLLEHT fl 3 说51 lrijL叶却Mwnr.二：mFLUGKT 4 1 |7d n=m mlerii 冋uh i£a£i di-£ Oh-tt O>i-XI-dOb-»-dfib-K9>：HrJEmE * tfwna |<!厂 hih ：9)ttr£4hn S7.當H i 'LU'E'H'f.Siii ipfargi. njirrifle. mghil三种情况速度场分布如图所示:JC*-EC"B丄畑60 I 2塚! I 3Q5«rXi I 2 54«

9、-».2 44«bW 2K* 韓 HZ恤 j iet-w.W忖I ftM-W!l氐DC四i松诃USf-Wma«m1 l*COFLUENT f. I 刖.|.2 m*h»JSHe'fti 2 900 2TS*HB 2ebH» 2«D0 2*豹 2如"W 2 2*HM 2 WH» 2M*Mn iS5*<d lvHD i rs* 加 <I*B 1H#HB “hHV :K*HK>1MvkM-W理iodr* £«i4<«d Bp 年tkdy M44bd* iph*

10、»卜 4站|<HUET<T 6.】174. p«ni. wh»l*n.仃33M*h»2 99vF2 MtHO ra»mJ酊g2 »*hKi TOiKDI 95*<Ci1I 74Q1 W(rt45g"0& 1JM0 1 FFWvM.11 f LUEhlf 6 J i±d. pMd比l.irqt的气相浓度场2）固定液相浓度为0.003%,变入口速度分别为：1m/s、3m/s、5m/s 分布如图所示：Ertcui W 中ikEH hbdiar |pt»i-! iHm PT MH申FLU

11、ENT询冉.&诞叭気啊1U-V1U-VCsraui eI V'e-I* hi.-=-Era Jphuirlg箭.应1 FL-THTfl-SEi Dbra vJhria-* piCcmcdi ni We Ewdkn pptn口htarfi? ail叫LITMT 4、ik. sri. BkMFiH- l* ,1U-V1U-VMWMMtK'EHExMI->=亠 MJtMB尋 rpa一垂罪一 H二lJd<lq<lT1-m一 摯尊諾 rl_亠T>壬-a拿一 "晉=一囊一 一一.-H & 赳-R-E-lr-=jJ三种情况速度场分布如图所示l

12、«aEiowkxiemu)!BJlc-OiT.iMi1 aa-i；irT«#Xlirih-av<a»-4v4IWflfc45*0* *眦如7 3ME1U-V1U-VF-tuEl- I-W4«tp評 UMac即iwu-li >n5NwM-,311 n.Ljew » 14：d ptau -Mtvian n0«iit«ao*WK»:»«>ac>W«"X?T*»3-MfrO ”&啲 jNrHrt 3-MahXi IfrOT yUcnXi I伽

13、» irtwpo ITSt'OC! T«rHnJSi 心1 I*呗puT-v區片 CDkHd Dy 血1心| htadiA IUIA-I > tni皿 OS 3011R-iJENT *Wi杯!>49iTfC1MMM-A? Si ITFLL-GVTpfar* 曲皿勺nr二二ri二二二 IEn ibvoi SDS*W *«lr>KUIMOJ4 lD»->>33 4WH-O0 JiKvid $占WOO I »»iO(*Hr>OQ7Uvn(iiWiHW6.2结构二入口流速3m/s,液相体积分数分别为

14、：0. 001% 0.003%、0.005%。三种情况气相 浓度场分布如图所示：知呎2EUPLirrv® < 2pbnh i-jiariin rT»；izh二ZE三二三三mi三种情况速度场分布如图所示2）固定液相浓度为0.003%,变入口速度分别为：1m/s、3m/s、5m/s。气相浓度场 分布如图所示：IM-AlHm-OF 2311FLUENT B 1GU a” HiatalBBK=£*SSuizjl 二±二鴛鬻 *Cv-litn alVakm bvdjvq ：i>w 1'*FLUfHT t f2a pbFi iLdMlan -r-

15、jta-|三种情况速度场分布如图所示I HnrDOI D?v>-HI I M+i-Mg UK-aiB 301TBHTM*O1 0 3 MH Q yr«-ai 5 ：i&a4H S* T>01 砒CM 1 E&-ai 古 lT*-d1 2BS+01FLUENT 4.3- id. pbns. iitHtnan. mtfMh5-ftarnnJf 9fl*WA Marffi jia-OO4 23#*WJ!»vDVX7MH-W3«S#«-W1 BWjM«rD£i 砂页 TUarfjp MNHBT«w诡1 H

16、»rDD羽网1师任 hWed射 C4kriid By vriach跑勺4前 tnKi昭* UTI FluE MT E-J i2< p«m. mmm.川确趴6.3结构三1）入口流速3m/s,液相体积分数分别为：0. 001%、0.003%、0.005%。三种情况 气相浓度场分布如图所示：ltT* f I. 1- -T 1 i 1 ”Tt 11T -X I T 4fc 1CsrlEm- :l：ir3kim t«inr M|HchSZ. f>i1FLLEKT C 3CM. 0t«L ninKI. »>t'-W乔 3)11FL

17、'-CWF ! iFa” pv* itvcbI- H*i«s*9:XBrX喻>n "J>rZIJEIrEEI3S-E! O*rEnos?c w»a iWcrfl!i»?E4014 iim-z:4n 67. 3nJ F .T? V： rs -三种情况速度场分布如图所示4QMrW9J5i*WlW F如値| «4fDd 3*>*W?Qta*WI ?ta»DO1抄F1 iSr-W«a«»4i J 43*4-1 3 031»1I FLuENT 6J i< pHiii. iw

18、m*i叶呵4 M祇4 ox g $re蚀丄也2$i>-电心I taiHE T*«rpqI JM4* iOfrI g世即.Am-AiT&0NtrPkHrnrLLENr « i2«. ftm. rt4ia. »B 丄 N2DCJMr-C4卅屮fit?>»fuDC2>»r-DS?3Ui£202406Wpg Hr* 09-4-llv-K4W*! jn*.MVb4b£1 Cedm C>ta»dBjfV»toct Hxmidv irtEfcn!； imiMm M .3911沪

19、LUBRT M11*. |HHM. H«I* 4112）固定液相浓度为0.003%,变入口速度分别为：1m/s、3m/s、5m/s。气相浓度场 分布如图所示：I Rr«>>uI XSvXI M-n! 3>?D>niMH-dI 3>-flI XH1I zagX»415M!®fMimrXBfXi lilBrllAMP 4teD 1JS-X1IUtD i®f-00 WrDEtl峠MthCrr mi llCYT fr.3 i2d on rrou> hm'Xe -BZk-rtOwH Cl hJaT«H

20、lrXij -Tlfihei-47M-iJOF «£U pbn riJiun- mibiriv* hM：HmC Mni ndETTfl r：c 6打三种情况速度场分布如图所示:IfiM-K-iJ好I欝41l<W3ITlr>K-H!lh>KI'M'afr4W#« *11a*ItarK MiaWfT-lliiM! 4 畸M *6.4结构四1）入口流速3m/s,液相体积分数分别为：0. 001%、0.003%、0.005%。三种情况气相浓度场分布如图所示：站1»*1 vfha,” NHC1Hv- F. W1144 dri. o

21、bra- uteri*-".岳*CoEkLn- = Parkin* k*dnr Jdr4|07.MHR_ie<r 3 2i. frtrd.耐FLLEHT D 3弧 迪*1 el妙 却IWb-W lOMj ICDM 1tlk-Xi liXte-D i«t-Witth-Uiixh-tt叶力*ISITidh-UChcjmi cf'Mtmi luiuari dr<i三种情况速度场分布如图所示:% iatn5 i-W *科凹4±W1»4 IJH"0ca wg2»t-«lJI曲09 I时的 1孙皿I OM-M BUHUh5 4MI2TMICokHAd 创 V«l«cN> 伽“品出 ii：h4i >mHiNvh«. 20-11Fmorrfl.li3d.ptn44”NwiMII nUENT E 3- |：d ptna uRrian2）固定液相浓度为0.003%,变入口速度分别为：1m/s、3m/s、5m/s。气相浓度场 分布如图所示：H-UEnr sisa, pt i-UHiinDarios cl 'j'&ldm