CFD在石油工業(yè)方面的應(yīng)用

李鵬

摘 要：隨著石油領(lǐng)域的快速發(fā)展，許多先進(jìn)、完善的國(guó)際化軟件已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在石油領(lǐng)域。CFD軟件作為一款全球化通用的流體模擬分析軟件，近幾年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，使其模擬的結(jié)果更為精確，應(yīng)用的范疇也更為廣闊，這為計(jì)算機(jī)流體力學(xué)軟件進(jìn)入石油化工行業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：CFD；數(shù)值模擬；石油化工；應(yīng)用

1 概述

計(jì)算流體力學(xué)（Computational fluid Dynamics簡(jiǎn)稱CFD）是20世紀(jì)60年代起伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速崛起的學(xué)科，如今這門學(xué)科已相當(dāng)成熟，應(yīng)用于的范圍也早已超越了傳統(tǒng)的流體力學(xué)和流體工程的范疇，如航空、航天、動(dòng)力、水利等，而擴(kuò)展到化工、核能、冶金、建筑、環(huán)境等許多相關(guān)領(lǐng)域。文章就著重介紹與總結(jié)其現(xiàn)在石油工業(yè)方面的應(yīng)用以及所帶來(lái)的成效。

2 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）簡(jiǎn)介

2.1 CFD軟件的發(fā)展歷程

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)代CFD技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)暮?jiǎn)單的層流流動(dòng)到復(fù)雜的湍流，燃燒，爆炸，激波等流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精細(xì)的數(shù)值模擬。而后，為了解決工程問(wèn)題，世界上一些大的軟件公司把那些已經(jīng)經(jīng)過(guò)實(shí)踐檢驗(yàn)的成熟而穩(wěn)定的計(jì)算方法集合起來(lái)，形成了數(shù)值軟件包，專門用于CFD數(shù)值計(jì)算。目前被廣泛采用的主流商用軟件包括：CFX、FIDAP、FLUENT、PHOENICS、STAR-AD。

2.2 CFD的工作步驟

2.2.1 首先要建立反映問(wèn)題（工程問(wèn)題、物理問(wèn)題等）本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。具體說(shuō)就是要建立反映問(wèn)題各量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。這是數(shù)值模擬的出發(fā)點(diǎn)。沒(méi)有正確完善的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬就無(wú)從談起。

2.2.2 數(shù)學(xué)模型建立之后，需要解決的問(wèn)題是尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法。由于人們的努力，如今已發(fā)展了許多數(shù)值計(jì)算方法。計(jì)算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標(biāo)的建立，邊界條件的處理等。

2.2.3 在確定了計(jì)算方法和坐標(biāo)系后，就可以開始編制程序和進(jìn)行計(jì)算。由于求解的問(wèn)題比較復(fù)雜，比如Navier-Stokes方程就是一個(gè)非線性的十分復(fù)雜的方程，它的數(shù)值求解方法在理論上不夠完善，所以需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)加以驗(yàn)證。正是在這個(gè)意義上講，數(shù)值模擬又叫數(shù)值試驗(yàn)。

2.2.4 在計(jì)算工作完成后，大量數(shù)據(jù)只能通過(guò)圖像形象地顯示出來(lái)。因此數(shù)值的圖像顯示也是一項(xiàng)十分重要的工作。

3 CFD在石油工程方面的應(yīng)用

由于CFD技術(shù)可以幫助人們完成與流動(dòng)相關(guān)的全部的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程，從最初的基本設(shè)計(jì)到最后的參數(shù)優(yōu)化選擇，又可使人們能夠洞察設(shè)備的復(fù)雜流動(dòng)狀況，使得CFD技術(shù)在石油工業(yè)上的應(yīng)用十分廣泛，文章作者通過(guò)下載大量文獻(xiàn)，并通過(guò)對(duì)其中的幾十篇具有典型代表的文章進(jìn)行研讀，總結(jié)出CFD技術(shù)在石油中的應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面。

3.1 在油品輸送管道中的應(yīng)用

3.1.1 在傳統(tǒng)的熱油管道中的應(yīng)用，針對(duì)埋地?zé)嵊凸艿劳］敎亟档倪^(guò)程，建立物理和數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用FLUENT軟件模擬不同土壤的導(dǎo)熱系數(shù)，不同大氣下的溫度分布，并且在穩(wěn)態(tài)的基礎(chǔ)上模擬非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，得到停輸后溫度場(chǎng)在不同條件影響下的分布規(guī)律，對(duì)于優(yōu)化管道建設(shè)和制定科學(xué)合理的熱油輸送工藝起到了重要作用。

3.1.2 在成品油管道中，應(yīng)用FLUENT軟件，對(duì)順序輸送混油進(jìn)行CFD模擬，并將數(shù)值模擬結(jié)果與理論分析相比較，結(jié)果基本吻合，證明了混油管道數(shù)值模擬的可靠性，也為多種油品的輸送順序的先后提供了有力的驗(yàn)證方法，為實(shí)現(xiàn)管道的最優(yōu)化提供了可能。

3.1.3 在多相流管道中應(yīng)用。例如在氣液兩相流管道中，利用FLUENT對(duì)管道內(nèi)的兩相流流型進(jìn)行數(shù)值模擬，驗(yàn)證了VOF模型對(duì)模擬兩相流流型中的氣泡流，活塞流，分層流，段塞流以及波浪流的可靠性。并且對(duì)長(zhǎng)直圓管內(nèi)氣液兩相流流型隨氣液流量的變化進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究。

3.1.4 在其他流型管道中的應(yīng)用。利用PHOENICS的功能建立同心和偏心環(huán)空流動(dòng)的物理模型，采用K-S湍流模型和壁面函數(shù)法，對(duì)牛頓流體，冪律流體，賓漢流體的偏心環(huán)空流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并利用Sci，Origin，Photoshop等后處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)、圖片做了處理，得到了偏心環(huán)空流動(dòng)的速度、壓力、湍動(dòng)能等流動(dòng)參數(shù)的分布情況，進(jìn)而分析得出了不同流速、偏心度、流性指數(shù)、屈服值、塑性粘度等條件對(duì)偏心環(huán)空流場(chǎng)特征的影響。

3.1.5 在另類管道中的使用。在油田生產(chǎn)中，輸油管道頻繁發(fā)生重大的盜油破壞事件，嚴(yán)重影響了油田正常的生產(chǎn)秩序，給國(guó)家財(cái)產(chǎn)造成了巨大的損失。通過(guò)分析地下盜油管道的敷設(shè)特點(diǎn)，展開傳熱分析，利用CFD軟件建立數(shù)學(xué)、物理模型，便可對(duì)管道問(wèn)題進(jìn)行有效的數(shù)值模擬，而且模擬結(jié)果與實(shí)際紅外像溫度場(chǎng)分布基本一致，證明了此方法的可信度。

3.1.6 也可以利用CFD對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。例如在管道局部摩阻損失的研究中，由于實(shí)驗(yàn)研究的局限性、離散型以及不準(zhǔn)確性，導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)所測(cè)定的各種局部摩阻的有關(guān)數(shù)據(jù)與工程實(shí)際數(shù)據(jù)有很大的誤差，利用FLUENT通用流體計(jì)算軟件對(duì)管中的流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，使得許多原來(lái)無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定以及無(wú)法通過(guò)分析求解的局部摩阻等流體問(wèn)題有了求的數(shù)值解的可能。而且模擬的計(jì)算值可以在一定程度上修訂工程實(shí)際中采用的經(jīng)驗(yàn)值。

3.2 在石油勘探開發(fā)中的應(yīng)用

隨著石油勘探開發(fā)的發(fā)展，在復(fù)雜地質(zhì)情況下的深井，超深井的數(shù)量越來(lái)越多，對(duì)鉆井技術(shù)，鉆井質(zhì)量以及鉆井的平均機(jī)械轉(zhuǎn)速的要求越來(lái)越高。為了保證鉆井質(zhì)量，提高井下破巖效率，使用先進(jìn)的井下工具、新材料、先進(jìn)的技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助已成為重要的研究方向。

3.2.1 應(yīng)用CFD軟件模擬渦輪鉆具的機(jī)械特性。在傳統(tǒng)的渦輪設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括渦輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、葉片造型設(shè)計(jì)、水力計(jì)算、內(nèi)流場(chǎng)分析以及性能預(yù)測(cè)等部分，它們是相互獨(dú)立的模塊，操作困難，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，不利于探討渦輪幾何參數(shù)對(duì)其水動(dòng)力性能的影響。應(yīng)用Visual Basic編程軟件與FLUENT流體動(dòng)力分析、GAMBIT等軟件相結(jié)合，將渦輪設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊集成于一體，建立集設(shè)計(jì)、造型、分析一體化的、高效率的軸流渦輪水力模型設(shè)計(jì)方案，提高了井下軸流渦輪水動(dòng)力的轉(zhuǎn)化效率，也為改進(jìn)渦輪機(jī)械性能指明了途徑。

3.2.2 利用CFD做井噴風(fēng)險(xiǎn)分析。在油氣勘探和開發(fā)工程中，不可控的井噴是最危險(xiǎn)的事故之一，而其他的一些商業(yè)軟件，如“HSE軟件包”往往分析不夠詳細(xì)而且很容易低估井噴的后果。而CFD卻能全面分析并能對(duì)“HSE軟件包”不欲與考慮的特殊幾何邊界下的井噴分析，呈現(xiàn)出更高準(zhǔn)確性，表現(xiàn)了CFD在做井噴風(fēng)險(xiǎn)分析方面的優(yōu)越性。

3.3 在煉油化工行業(yè)的應(yīng)用

CFD在煉油化工行業(yè)的應(yīng)用可謂數(shù)不勝數(shù)。填料床、生化反應(yīng)器、干燥器、流化床、換熱器等這些常見的生產(chǎn)設(shè)備，其內(nèi)部流場(chǎng)流動(dòng)規(guī)律較為復(fù)雜，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的方法往往會(huì)受到模型尺寸、人身安全、測(cè)量精度的限制，而CFD方法卻能克服上述弱點(diǎn)，不但節(jié)省了人力、財(cái)力，而且結(jié)果也更加可靠。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章主要匯總了該軟件在石油行業(yè)某些領(lǐng)域中應(yīng)用的典型事例，雖只是冰山一角，但隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的加快，石油行業(yè)中很多在現(xiàn)實(shí)中很難通過(guò)理論分析或者實(shí)驗(yàn)研究得到有效解決的問(wèn)題，如普遍存在的油氣水多相流問(wèn)題，這些問(wèn)題都是CFD軟件的強(qiáng)項(xiàng)，故CFD軟件在石油領(lǐng)域應(yīng)用的前景會(huì)更加廣泛，值得進(jìn)行深入研究。

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