热油管道FLUENT模拟

1、珅lent石油工程应用实例7.1热油管路温降分析应用精讲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 500 x 6mm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6mmo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

2、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。第7章油气田地面工程的应用A设置重力加速鹿回 GravityGr av tauonal AccelerationX frn/s2)山模型建立设置能屋方程和*层部模型Energy“Energy EquationModelIrwiKd3' Lamin

3、arJ自定义村料User-Defined Database. 1.设置区域条件Cell Zone ConditionsSolution Methods【光盘文件】参见附带光盘中的“设皿见条件Boundary Conditions -设置法代%法及松弛瓯Solution ControlsUnder-Relajcatian Factors初始化及迭性计算Solution Initialization-图7-2井下节流阀流动模拟流程图参见附带光盘中的“ STARTCh77-6.msh ”文件。参见附带光盘中的“ ENDCh77-6.cas , 6-6.dat ”文件。AVICh77-6.avi ”

4、文件。应用精讲第7章油气田地面工程的应用应用精讲7.1.2 几何建模1启动 GAMBIT ,单击叵一7T一厂，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。GyA> Gk + +图7-3 创建的点2单击|卜| |广，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 制时|按钮即可。在旋转角

5、度 Angle中输入-90,其他选项保持不变，单击制前|按钮，得到的点如图 7-129所示。创建的点图7-5创建的圆弧3单击 Bl- I 司匚一，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 F按钮，在下拉选项中选择 匚一按 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 即即|按

6、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 向一 I声(W， 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11 蛔w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Gy图7-7移动后的面5单击r"l一丁

7、匚丁，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，单击郊附 按钮即可，如图7-132所示。6单击一 IF-,依次创建坐标(0, 0, 0)、(10, 0, 0)、(10, -10, 0)、(0,-10,0)的 4 个点；单击 I 门f一 r 一，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

8、线 段；单击11T 一 一 |7 一,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 空胺钮生成几何面，如图 7-133所示。土壤区域图7-8绘制好的土壤区域7.1.3网格划分1单击|鼐线段11,线段12,线段节点距离比例为1 ,选择一 |印，在Mesh Edges黄色输入栏中选中线段1、线段2、线段6、13,线段14,线段15,线段16,线段17,线段18,设置Ratio的Interval Count分段方式，在左侧输入60,单击 “piy按钮生成该线段

9、的线网格;Interval Count线段8,设置选中线段3、线段5、分段方式，在左侧输入Ratio的节点距离比例为线段9、线段7,设置Ratio的节点距离比例为1,选择3,单击 ©色 按钮生成该线段的线网格；选中线段4、1,选择Interval Count分段方式，在左侧输入4,单击“唧¥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管道区域的面网格第7章油气田地面工程的应用2单击|静 一回一 ，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

10、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（IT- 7一 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,选才I Interval Count分段方式，在左侧输入75,单击叫叩按 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,单击川丽y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

11、，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Apply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7甲9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。GyA图7-11 土壤区域的线网格4单击厂一同一k,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

12、-137所示。应用精讲第7章油气田地面工程的应用5TisEwa - I."ES-* -， RF-II1rr iAF?-T=«l 二七 2-/3= II、 -rm=:=一:,./. a£=孱一一!: -z- J父箝儒利H一延“吊着亘ft:3raoIi*iim iiiaiiini-ai-iirMB BJUllll>r iim nil ru illlU ill Ilia llirnlbIi bMIiii m eiii riiiaiiiiit in rm，r r ，,"Sjii""1平? mi -viiani ”."nim_

13、r_rJMVWJtMtWJP11rfwi uiiHuiaim mi ii-ninaMi-viHiiiaiif mi盆：,! ：!；：!LX：*：*潴法源WJ：；5：.密沈，:必:求g：加/整耀lii1!?霸甯避交L内图0遇称蜃-I1 ；- I.:£+ L = 一7-M-:!=-:二 w-ll .i Ji、弓二-:,一 ":!一二-翼|-三，:.":".IL'.:.，.r 一簿一一逗踵蜃除图7-12热油管路传热问题的网格5单击魏 |唯，在 Specify Boundary Types面板中将地面（edge.20）定义为壁面 （Wall）,名称为di

14、-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.1& 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、ed

15、ge.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。Namedi-biaoWALLWALL WALL WALL WALL WALL WALL WALLdi-bian right fangfuceng baow&ncenq garigguar-waibi gangguan-naibi diiichengzhou图7-13定义好的边界类型名称列表6单击国-一为，在 Specify Continuum Types 面板中 Na

16、me 中输入 yuanyou,在 Type 选项中选择FLUENT ,在Entity中选择面1、面2,单击川中按钮,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 回甲 按钮；和定义 gangguan方法样，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。应用精讲第7章油气田地面工程的应用« CZ3TypeNamejfuanyouFLUIDgamgguanSOLIDnew_baowerGengSOLI

17、DnewjangfucengSOLIDturangSOLID图7-14定义好的介质类型口执行FilefSave As 命令，将工程文件保存为“7-6”。同时，执行 ExportfMesh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：#include "udf.h"DEFINE_PROFILE(WALL_youbian,thread,index)face_t f;real xND_ND;real y;begin_f_loop(f,thread)F_CENTROID(x,f

18、,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 o3执行File - Read的esh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Check|按钮检查网格的信息,待文本窗口中最后

19、一行出现“ Done”语句。4点击General控制面板中的Scale,.一J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Soker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。0日白牛抬Grav tationl A ccterationX (m/sZ)T (m/s2)2 (岫 2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

20、 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SVisGous ModelModelQ InviscidS：, LaminarSpalart-Allmsras (1 eqn)。k-epsilcn (2 ecpi)0 k-Qmega (2,岁qn)Transition LM+nneq©(3 号qn)Transition SET (4 cqn)C，' Reynolds Stress (5 eqn)O Srsle-Adapbve Simdation (SAS)Op

21、tions胃5匚 口115 HeatingLow- Pressure Boundary SlipOK &奥亚 Help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|UserDe、nedDatabase.,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 怕。心畤已按钮，弹出图 7-144所示的 User-Defined Database Materials 操作面板。在 User-Defined

22、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 Ma

23、terials 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操作面板右侧的口加馍南1盘Database,.按钮,弹出Open Database操作面板。在Database Name中输入newmaterials,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

24、 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 DatabaseMaterials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。应用精讲第7章油气田地面工程的应用C13图7-20钢管的定义应用精讲第7章油气田地面工程的应用#图7-21保温层的定义应用精讲第7章油气田地面工程的应用« Q23图7-22防腐沥青层的定义图7-23 土壤的定义9打

25、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。应用精讲油气田地面工程的应用 QD图7-24钢管区域的定义图7-25保温区域的定义应用精讲第7章油气田地面工程的应用图7-26防腐区域的

26、定义图7-27 土壤区域的定义应用精讲油气田地面工程的应用 eQD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

27、设置步骤与上应用精讲第7章油气田地面工程的应用 QD应用精讲面一样，在Wall对话中1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钢管外壁的设置油气田地面工程的应用« QD图7-32保温层的设置图7-33防腐层的设置应用精讲第7章油气田地面工程的应用#图7-34底边的设置图7-35地表的设置应用精讲第7章油气田地面工程的应用« C3D图7-36 土壤右边的设置11执行 Define fUser-Definedf Functions fInterpreted 命令，弹出如图 7-162

28、 所示的解 释对话框，单击对话框右侧的占邱处,按钮，选择之前保存到目录文件下的d.c文件，单击01。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）,单击必回国城,完成自定义边界。图 7-37 Interpreted UDFs 对话框应用精讲第7章油气田地面工程的应用图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 Solu

29、tion 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，点击三通捻按钮，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 Mon

30、itors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 匕0kLl1as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， 双击Zone区域的yuanyou,弹出Fluid对

31、话框，取消Fixed Values选项，其他设置保持默认， 单击OK,完成对钢管区域的定义，如图 7-165所示。S culverTypeVelocity Formulation® Pressure-Based AtaoLiteO Der sity-Based。R elativeTinfte2D Spact® Steady® Plarar二 Tran囱电nt二AxisymmetricAxisymmetric 5庙rl图7-39 Solver选项卡应用精讲第7章油气田地面工程的应用« Q#D图7-40 Fluid对话框17点击左侧控制树中的 Run Cal

32、culation ,在中间的Run Calculation控制面板中，设置 Time Step Size (s)为 0.1,设置 Number of Iterations (迭代步)为 36000 步，如图 7-166 所 示，单击 开始解算。应用精讲第7章油气田地面工程的应用« 0233图 7-41 Run Calculation 控制面板7.1.5结果后处理与分析1为了显示整个图形，我们需要打开 Display ,在其下拉菜单中选择 Views，弹出View 对话框，如图7-167所示。选择 Mirror Planes下的duichengzhou,单击Apply ,即可显示整 个图