计算流体力学在石油工业中应用

1、1计算流体力学在石油工业中的应用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二、计算流体力学在石油工业中的应用用2力学理论力学弹塑性力学流体力学流体力学材料力学弹性力学一、流体力学发展及分支一、流体力学发展及分支流体力学流体力学理论流体力学理论流体力学计算流体力学计算流体力学实验流体力学实验流体力学3（一）理论流体力学（一）理论流体力学 理论分析理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量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，研究流体的守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运

2、动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分运动，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：析的步骤大致如下： 首先是首先是建立建立“力学模型力学模型”，即针对实际流体的力学问题，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而建立反映问题本质的“力学模型力学模型”。流体力学中最常。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、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。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

3、将质量守恒、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流动参量的关系式(例如状态方程例如状态方程)，或者其他方程。建立，或者其他方程。建立流体力学基本方程组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

4、力学模型的适用范围。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（二）实验流体力学 实验流体力学实验流体力学 （experimental fluidmechanics ）:主要用实验方法研究自然界或各类工程领域中的主要用实验方法研究自然界或各类工程领域中的流流体体流动现象和规律以及流体与流动现象和规律以及流体与固体固体之间的相互作用之间的相互作用的的流体力学流体力学分支。分支。 实验方法包括现场观测及实验室模拟两大类。前者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

5、，如气象、水文、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，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。的实验手段。6两相管流两相管流7891011粒子图像速度场仪粒子图像速度场仪（Particle image velocimetry） PIV（粒子成像测速）全名：（粒子成像

6、测速）全名：Particle Image Velocimetry,又称粒子图像测速法，是七十年代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力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如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）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。结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布

7、示踪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。由于技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述技术的上述优点，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。题，因而日益得到重视。12 目前目前PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的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，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知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

8、流场的瞬态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，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。因此示踪粒子在态。因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。测速法中非常重要。13 在在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为：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；（）比重要尽可能与实验流体相一致；（2）足）足够小的尺度；（够小的尺度；（3）形状要尽可能圆且大小分布）形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀；（尽可能均匀；（4）有足够高的光散射效

9、率。通）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已有公司专门为PIV测量研制出了在流体中接近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。钱非常昂贵。14 PIV系统示意图系统示意图15PIV粒子图像测速系统粒子图像测速系统Particle Image Velocimetry (PIV)定量化的图像显示技术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

10、获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）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。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（面测量）提供一个时刻空间序列的流场结构场结构一次可获得一个平面内的流场特性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测量粒子通过已知时间的位移计算速度16PIV - 原理原理t - 两个脉冲之间的时间两个脉冲之间的时间x 粒子在粒子在X方向的位移方向的位移y 粒子在粒子在Y方向的位移方向的位移Velocity of p

11、article Aux = x/t as t 0uy = y/t as t 0 xyA. . . . . . . . . . . .17互相关处理互相关处理查询网格CrosscorrelationCross-correlationframe 1frame 2查询网格18PIV系统组成系统组成 光源系统光源系统利用脉冲激光器照亮流场中利用脉冲激光器照亮流场中的一个测量平面的一个测量平面双脉冲激光器双脉冲激光器配件：激光光导臂系统、片光源透镜组配件：激光光导臂系统、片光源透镜组 图像采集系统图像采集系统 捕捉粒子图像并记录捕捉粒子图像并记录CCD相机相机高精度时序同步控制器高精度时序同步控制器配件

12、：配件：5325nm窄带滤波镜、高速数窄带滤波镜、高速数字影像数据采集板字影像数据采集板19 软件平台软件平台 系统硬件控制系统硬件控制 图像分析、显示软件平台图像分析、显示软件平台2维PIV系统3维PIV系统20双腔激光器双腔激光器 脉冲能量：脉冲能量：200 mJ/pulse 35 ns 脉宽脉宽冻结粒子图像冻结粒子图像 脉冲间隔时间脉冲间隔时间 T可以调节可以调节测量速度从测量速度从mm/s到超音速到超音速 脉冲频率：脉冲频率：15Hz 532nm 波长波长21激光光导臂激光光导臂全封闭传输高能量激光全封闭传输高能量激光输出可三维全方向移动输出可三维全方向移动标准配置长度标准配置长度1.

13、5m七关节、九关节七关节、九关节22激光片光源透镜组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Cylindrical lensSpherical lenswaist23时序同步控制器时序同步控制器Computer24（三）计算流体力学（三）计算流体力学 数学的发展，计算机的不断进步，以及流数学的发展，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

14、了体力学计算方法的发展，并形成了计算流计算流体力学体力学CFD（ Computational Fluid Dynamics）。）。25 计算流体力学：在计算机应用的基础上，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。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计算流体力学已成为

15、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流体力学是应用计算机计算机和和流体力学流体力学的知识对流体在特定的知识对流体在特定条件下的流动特性进行模拟，用条件下的流动特性进行模拟，用数值计算方法数值计算方法求解流动控制方求解流动控制方程以发现各种流动现象规律的科学。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、舶、海洋、化学、铸造、制冷、海洋、化学、铸造、制冷、工业设计、城市规划设计、建筑工业设计、城市规划设计、建筑消防设

16、计、汽车等多个领域。消防设计、汽车等多个领域。27 市场上主流的市场上主流的CFD商用软件包括：商用软件包括：FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、NUMECA（FINE）等。发展到今天，已经大约有）等。发展到今天，已经大约有50余种余种用于流动计算和传热计算的软件，虽然各种软件用于流动计算和传热计算的软件，虽然各种软件各有不同，但各有不同，但CFD软件结构基本上是一致的。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其中前处理器、求解器、后处理器三大模块的功能如下：如下： 前处理器：用于创建几何模型和自动的生成网格；前处理器

17、：用于创建几何模型和自动的生成网格； 求解器：建立求解器：建立CFD方法中的模型控制方程（方法中的模型控制方程（N-S方程，方程，湍流模型）、对模型进行离散化处理、选择数值方湍流模型）、对模型进行离散化处理、选择数值方法（法（SIMPLE系列、系列、MAC系列）、相关参数的输入系列）、相关参数的输入（如初始条件、边界条件、松弛因子、物性参数（如初始条件、边界条件、松弛因子、物性参数等）；等）； 后处理器：给出计算后的可视化结果，包括速度场后处理器：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、浓度场分布及其分布、温度场分布、压力场分布、浓度场分布及其它参数等。它参数等。29

18、30PHOENICS软件软件31VR编辑器中主控菜单32运行后的VR视图器33 FLUENT是美国是美国FLUENT公司在公司在1983年推出的商用年推出的商用CFD软件。它是继推出软件。它是继推出PHOENICS软件之后的又一个投放市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，场的基于有限体积法软件。在国内，FLUENT以其功能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全面和适用性广泛的优点成为目前使用最广泛的CFD商商用软件之一。用软件之一。 FLUENT 6.0是是FLUENT公司的旗舰产品，它的解算器采公司的旗舰产品，它的解算器采用有限体积法和非结构化网格。作为通用求

19、解器它适用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。动、超音速和高超音速流动等。FLUENT中包含大量的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、层流动、层流/湍流流动、换热、多相流流动、化学反应等。湍流流动、换热、多相流流动、化学反应等。34 FLUENT软件组成软件组成 FLUENT有很多产生网格的工具，包括如：有很多产生网格的工具，包括如：GAMBIT专用的专用的CFD前置处理器（几前置处理

20、器（几何模型何模型/网格生成）；网格生成）；TGrid、GeoMesh、preBFC、ICEMCFD、I-DEAS、NASTRAN、PATRAN、ARIES、ANSYS，及其它的前处理器等，因此及其它的前处理器等，因此FLUENT能够能够处理大量的具有不同结构的网格拓扑结构。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佳的收敛精度。主要是因为它采用

21、了多种求解方法以及多重网格的加速收敛技术，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（基于求解精度）及成熟的物理模型，这些使些使FLUENT 在众多领域取得了显著的成在众多领域取得了显著的成效。效。36 在在FLUENT中我们能够灵活使用网格拓扑结构来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适应特定的问题，其中在二维问题上我们可以使用用四边形网格和三角形网格四边形网格和三角形网格；而对于三维问题则；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可以使用

22、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。元，或者两种单元的混合。FLUENT可以接受单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）。有单元都共有边和面的顶点）。37例子：圆柱绕流例子：圆柱绕流38飞机绕流飞机绕流39叶轮机械叶轮机械40二、计算流体力学在石油工业中的应用二、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（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钻

23、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。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（二）计算流体力学在石油工业中的应用 1.环空流动环空流动 2.射流泵采油射流泵采油 3.两相管流及复杂流体流动的数值模拟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顺序输送

24、的数值模拟 6.水力喷砂射孔水力喷砂射孔41 1. 环空流动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，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

25、种情形。井中钻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。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可忽略的作用。近年来，许多研究人员对幂律流体在环

26、空中稳定层流进行了大量研究，得出一些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。非常重要的意义。43444546051015202530-0.020.000.020.040.060.080.100.120.140.160.180.20轴 向 速 度 (m/s)网 格 数 (个) 200ppm 400ppm 600ppm 800ppm图610 不同浓度流体轴向速度分布472. 射流泵的应用射流泵的应用 高压水射流在石

27、油工业中应用非常广泛，在水平井钻井、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。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，采用的石油行业中应

28、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。采喷嘴形式较多的为锥直型喷嘴，射流流场较为复杂。采用用CFD软件软件Fluent对锥直型喷嘴纯水射流流场进行数值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。流流场的影响。48jet-st系列射流泵系列射流泵环保型射流泵环保型射流泵49射流泵原理图射流泵原理图 射流泵结构示意图射流泵结构示意图 50 射流泵缺点：射流泵缺点：效率不高，最高效率只有效率不高，最高效率只有42%，因此限制了它，因此限制了它的使用。的使用。5

29、152射流泵的结构尺寸射流泵的结构尺寸535455由于射流泵为一细长体，流道尺度差别很大，因此采用非等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。距网格，见下图。5657585960u 喉嘴距对喉嘴距对61u 射流泵基本性能曲线射流泵基本性能曲线0.00.51.01.52.00.000.050.100.150.200.250.300.350.40 文献结果 模拟结果 P,MPaM % () % ()620.00.51.01.52.00.000.050.100.150.200.250.300.35 文献结果 模拟结果 E,%M % () % ()63u 最佳喉嘴距最佳喉嘴

30、距012345-0. 10-0. 050. 000. 050. 10P,MPaLd643.埋地管道土壤温度场数值模拟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图图5-12 不稳定的土壤温度场不稳定的土壤温度场66卡门涡街的由来卡门涡街的由来 西尔多西尔多冯冯卡门（卡门（18811881年年-1963-1963年），匈牙利犹太人。航空和航天领年），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；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，他阅历极广，到过世界上很多国家，与世界上许多大科学家有密切交往。与世界上许多大科学家有密切交往。被誉为被誉为“航空航天时代的科学奇才航空航天时代的科学奇才”。 67冯冯卡门卡门普朗特普朗特哈依门兹哈依门兹由水槽