Fluent軟件在三相流流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的仿真應(yīng)用

夏　琳，劉興斌，劉釋駿，高　旭，姜兆宇，王朝宇，于　航

(1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田有限責(zé)任公司 測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163453；3.大慶油田有限責(zé)任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶 163000；4.大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163000)

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Fluent軟件在三相流流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中的仿真應(yīng)用

夏琳1，劉興斌2，劉釋駿2，高旭3，姜兆宇2，王朝宇4，于航2

(1.東北石油大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田有限責(zé)任公司 測(cè)試技術(shù)服務(wù)分公司，黑龍江 大慶 163453；3.大慶油田有限責(zé)任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶 163000；4.大慶油田有限責(zé)任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163000)

摘要：針對(duì)目前油田開采中普遍存在的低產(chǎn)液、高含水和三相流的問題，應(yīng)使三相流體盡快分離，及時(shí)反饋，以優(yōu)化設(shè)備，提高采收率。油田開采過程中，油氣水三相流體在傳輸管道及地面測(cè)量裝置中的狀態(tài)難以觀察。應(yīng)用Fluent軟件對(duì)三相流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過對(duì)比多種不同流量、不同比例時(shí)的流體流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)總結(jié)三相流體的流動(dòng)特點(diǎn)，可以更清晰直觀地觀察流動(dòng)狀態(tài)，并幫助優(yōu)化相關(guān)的傳輸和實(shí)驗(yàn)裝置，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)成本，提高了工作效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)值模擬；Fluent；動(dòng)網(wǎng)格；三相流

數(shù)值模擬是根據(jù)給定事件的熱量、速度和壓力，并借助于計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)模型的壓力、結(jié)構(gòu)、速度、流量和動(dòng)量能量等相關(guān)因素進(jìn)行模擬的仿真技術(shù)。在特定環(huán)境下對(duì)模型數(shù)值模擬，完成理論模型的假想實(shí)驗(yàn)，通過仿真云圖的顯示和數(shù)據(jù)分析體現(xiàn)結(jié)果，生動(dòng)、準(zhǔn)確地再現(xiàn)流體流動(dòng)情境。

Fluent是一款CFD專業(yè)化的仿真軟件，適用于多種物理現(xiàn)象和復(fù)雜的流動(dòng)形態(tài)，運(yùn)用各種數(shù)值方法與特定的離散格式，使得準(zhǔn)確度、運(yùn)算速度以及穩(wěn)定性等方面合理化、最佳化。Fluent軟件功能性強(qiáng)，涉及領(lǐng)域廣，在機(jī)械控制、油氣集輸、管道流動(dòng)、材料力學(xué)以及多相流等應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用[1]。

多相流是研究氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)混合流動(dòng)的學(xué)科。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)陸上油田處于中晚期開采階段，普遍存在高含水、多相流的現(xiàn)象[2]。本文主要應(yīng)用Fluent軟件中的具體功能，模擬油氣水三相流流動(dòng)狀態(tài)，得到模擬數(shù)據(jù)，降低了實(shí)驗(yàn)成本。

1模型建立

Fluent軟件以GAMBIT軟件作為前處理模塊，GAMBIT軟件件功能靈活、容易操作，可以對(duì)被研究對(duì)象進(jìn)行二維或三維模型建立， 并且可以對(duì)其進(jìn)行各種網(wǎng)格的劃分，例如：三角形、四面體和六面體等，并且可以根據(jù)需求、特性的不同對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)分，可以生成可變網(wǎng)格、滑動(dòng)網(wǎng)格以及動(dòng)網(wǎng)格等。Fluent軟件含有較為精確的求解算法，包括耦合法、非耦合法、顯式算法和隱式算法等，并且后處理功能全面，可將仿真結(jié)果顯示成坐標(biāo)、圖像和動(dòng)畫等，直接進(jìn)行觀察及量化分析。

另外，F(xiàn)luent軟件還可以與其他工程領(lǐng)域軟件進(jìn)行互動(dòng)讀取，如可對(duì)CAD、CAE軟件所建立的模型進(jìn)行調(diào)用。Fluent軟件的使用過程如圖1所示。

圖1　Fluent軟件的使用過程

建立模型和劃分網(wǎng)格是數(shù)值模擬的第一步驟，網(wǎng)格的劃分與仿真結(jié)果有著密切關(guān)系[3]。首先，確定模型尺寸，在GAMBIT軟件中依照點(diǎn)→線→面→體的步驟畫出模型框架；其次，在確定計(jì)算區(qū)域后，就要把這個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化處理，也就是網(wǎng)格的劃分，根據(jù)實(shí)際需要確定網(wǎng)格尺寸，生成網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)越多，計(jì)算量越大，也相對(duì)準(zhǔn)確；然后，確定邊界條件，根據(jù)條件選定入口、出口特性，如VELOCITY_INLET、PRESSURE_OUTLET，模型中實(shí)體設(shè)為WALL，虛體設(shè)為INTERIOR；最后，EXPORT-MESH，輸出MESH文件，第一步驟完成。

2求解模塊

將MESH文件導(dǎo)入Fluent軟件后，通過Fluent軟件中的Check功能檢查網(wǎng)格質(zhì)量，統(tǒng)一單位長(zhǎng)度、統(tǒng)計(jì)網(wǎng)格個(gè)數(shù)并做平滑化處理。N-S方程組是Fluent求解模塊主要的求解方式[4]，并且Fluent求解模塊還加載了SIMPLE、SIMPLEC和PISO等算法。對(duì)不可壓縮流體進(jìn)行有效計(jì)算時(shí)采用離散方程，對(duì)可壓縮流體進(jìn)行有效計(jì)算時(shí)應(yīng)采用連續(xù)方程與動(dòng)能守恒及能量守恒方程。對(duì)于湍流模型的有效計(jì)算，F(xiàn)luent求解模塊應(yīng)用代數(shù)模型、一元方程及二元方程模型等，通常也會(huì)應(yīng)用k-ε模型作為求解模塊。

打開Fluent14.5軟件，如果流域中有顯著的長(zhǎng)度尺寸，則勾選雙精度求解器(Double Precision)；在三相流的求解中通過對(duì)穿過區(qū)域的每一流體的體積分?jǐn)?shù)來(lái)模擬2種或3種流體的求解，采用VOF模型；觀察不同時(shí)間狀態(tài)下的變化選用瞬態(tài)(unsteady)，相應(yīng)的選取PISO算法；對(duì)于較為復(fù)雜的模型可以適當(dāng)將松弛因子調(diào)低，以保障運(yùn)算穩(wěn)定性；壓力速度解耦(Pressure-Velocity Coupling)中，傾斜校正(Skewness Correction)適用于扭曲率較大的網(wǎng)格，鄰近校正(Neighbor Correction)適用于非穩(wěn)態(tài)下的過渡計(jì)算，壓力(Pressure)中PRISTO適用于旋轉(zhuǎn)，而Bodyforce適用于強(qiáng)體積力。

3后處理模塊

Fluent軟件的后處理模塊通過坐標(biāo)、圖形和動(dòng)畫等模式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行顯示，可以直觀地反映出研究對(duì)象在特定應(yīng)條件下的模擬結(jié)果，對(duì)下一步的研究和設(shè)計(jì)指明了方向，化簡(jiǎn)了繁復(fù)的研究過程，同時(shí)可以判斷出研究過程中的錯(cuò)誤。下述簡(jiǎn)要介紹2種常用的監(jiān)測(cè)方法；靜態(tài)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

首先通過Surface-Like/Rake通過點(diǎn)連線的方式畫出希望監(jiān)測(cè)的線段，隨后Plot-XY Plot，選擇方向可以觀測(cè)到特定時(shí)刻在這條線段上流經(jīng)的各相體積分?jǐn)?shù)(見圖2)。

圖2　靜態(tài)監(jiān)測(cè)圖

如果要觀察一段時(shí)間內(nèi)的流動(dòng)情況或求出一段時(shí)間內(nèi)各相流過的體積分?jǐn)?shù)，可以采用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)法。通過Solve-Monitors-Surface選取1個(gè)要監(jiān)測(cè)面或線以及相，可以出現(xiàn)各時(shí)刻該相的體積分?jǐn)?shù)(見圖3)，并輸出電子表格，從而可以求解出一段時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一區(qū)域的各相體積分?jǐn)?shù)。

圖3　動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)圖

通過選擇Display-Graphics and Animations-Contours，可以對(duì)實(shí)際每一時(shí)刻的相分部、壓力和速度等多種參數(shù)進(jìn)行直觀體現(xiàn)。在觀察三相流流場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，體現(xiàn)各相的分布情況非常重要，油相在測(cè)量?jī)x器中的分布情況如圖4所示。其中，左側(cè)圖版代表的是油相體積率的范圍是從0~1。

圖4　仿真云圖

4動(dòng)網(wǎng)格的應(yīng)用

在數(shù)值模擬中，通常有計(jì)算區(qū)域隨著時(shí)間變化的情況，為了更連貫地解決這類問題，可以應(yīng)用Fluent軟件中提供的動(dòng)網(wǎng)格模型(Dynamic Mesh)。在Fluent軟件中，動(dòng)網(wǎng)格模型可以模擬由于流域邊界運(yùn)動(dòng)引起流域形狀隨時(shí)間變化的流動(dòng)狀況?？梢酝ㄟ^對(duì)應(yīng)的UDF文件編譯自定義函數(shù)，通過此函數(shù)定義區(qū)域的變化，也可以利用Define-Dynamic Mesh-Events來(lái)定義。Events用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)事件的控制功能，可以在計(jì)算中通過設(shè)置自動(dòng)改變?cè)O(shè)置，如步長(zhǎng)、松弛因子和開關(guān)計(jì)算區(qū)域等。在設(shè)定相關(guān)參數(shù)后，可以將計(jì)算區(qū)域內(nèi)3個(gè)面的狀態(tài)，在1 000 s處從WALL變更為INTERIOR(見圖5)。

圖5　動(dòng)網(wǎng)格的設(shè)置

5結(jié)語(yǔ)

根據(jù)三相流體的特有性質(zhì)，應(yīng)用Fluent軟件選取相應(yīng)的求解模塊進(jìn)行模擬仿真，不僅可以觀察每一時(shí)刻的速度、壓力和相含量的仿真云圖，還可以得出有效圖像和數(shù)據(jù)，確定流動(dòng)狀態(tài)，并計(jì)算出具體體積含量。用此方法可以優(yōu)化測(cè)量裝置和集輸裝置，降低實(shí)驗(yàn)成本，縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊曉鋒,周燦豐. 基于Fluent的TIG焊接電弧數(shù)值模擬[J]. 新技術(shù)新工藝,2015(1):40-42.

[2] 劉曉燕，劉揚(yáng). 油氣水三相流流型國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J]．管道技術(shù)與設(shè)備，2007(4)，1-3．

[3] 韓占忠,王敬,蘭小平.Fluent—流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2010.

[4] 郭學(xué)濤.油氣水三相流數(shù)值模擬與持氣率測(cè)量方法研究[D].河北:燕山大學(xué),2009.

責(zé)任編輯彭光宇

Simulation and Application of Fluent Software in Three-phase Flow Field Motion State

XIA Lin1， LIU Xingbin2， LIU Shijun2， GAO Xu3， JIANG Zhaoyu2， WANG Chaoyu4, YU Hang2

(1.College of Electronic Science， Northeast Petroleum University, Daqing 163318, China; 2.Daqing Logging&Testing Services Company, Daqing 163453, China; 3.The Second Oil Extraction Plant of Daqing Oilfield Company, Daqing 163000,China; 4.The Ninth Oil Extraction Plant of Daqing Oilfield Company, Daqing 163000, China)

Abstract：Aiming at the problems currently existed in oilfield exploitation of low yielding liquid, high water cut and three-phase flow, and we need to do three-phase fluid separation as soon as possible. It should be timely feedback, can optimize the equipment and improve the recovery rate. In addition, the oil gas water three-phase fluid is difficult to be observed in the transmission pipeline and the ground measuring device in the process of oil exploitation. The motion state of three-phase fluid is simulated by Fluent software, and the flow characteristic of three-phase fluid is summarized by comparing different flow and flow state of fluid flow. We can have more clear and intuitive observation of the flow state, and help optimize the relevant transmission and experimental apparatus. It saves the experimental cost and improves the working efficiency.

Key words:numerical simulation, Fluent, dynamic grid, three-phase flow

收稿日期：2015-05-21

作者簡(jiǎn)介：夏琳(1990-)，女，碩士研究生，主要從事油田三相流等方面的研究。

中圖分類號(hào)：TE 357.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A