CFD在石油工业方面的应用

摘 要：随着石油领域的快速发展,许多先进、完善的国际化软件已经被广泛应用在石油领域.CFD软件作为一款全球化通用的流体模拟分析软件,近几年随着计算机技术的迅猛发展,使其模拟的结果更为精确,应用的范畴也更为广阔,这为计算机流体力学软件进入石油化工行业奠定了基础.

关 键 词：CFD；数值模拟；石油化工；应用

1概述

计算流体力学（ComputationalfluidDynamics简称CFD）是20世纪60年代起伴随着计算机技术迅速崛起的学科,如今这门学科已相当成熟,应用于的范围也早已超越了传统的流体力学和流体工程的范畴,如航空、航天、动力、水利等,而扩展到化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域.文章就着重介绍与总结其现在石油工业方面的应用以及所带来的成效.

2计算流体力学（CFD）简介

2.1CFD软件的发展历程

经过几十年的发展,现代CFD技术已经能够对从简单的层流流动到复杂的湍流,燃烧,爆炸,激波等流体运动进行精细的数值模拟.而后,为了解决工程问题,世界上一些大的软件公司把那些已经经过实践检验的成熟而稳定的计算方法集合起来,形成了数值软件包,专门用于CFD数值计算.目前被广泛采用的主流商用软件包括：CFX、FIDAP、FLUENT、PHOENICS、STAR-AD.

2.2CFD的工作步骤

2.2.1首先要建立反映问题（工程问题、物理问题等）本质的数学模型.具体说就是要建立反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件.这是数值模拟的出发点.没有正确完善的数学模型,数值模拟就无从谈起.

2.2.2数学模型建立之后,需要解决的问题是寻求高效率、高准确度的计算方法.由于人们的努力,如今已发展了许多数值计算方法.计算方法不仅包括微分方程的离散化方法及求解方法,还包括贴体坐标的建立,边界条件的处理等.

2.2.3在确定了计算方法和坐标系后,就可以开始编制程序和进行计算.由于求解的问题比较复杂,比如Nier-Stokes方程就是一个非线性的十分复杂的方程,它的数值求解方法在理论上不够完善,所以需要通过实验来加以验证.正是在这个意义上讲,数值模拟又叫数值试验.

2.2.4在计算工作完成后,大量数据只能通过图像形象地显示出来.因此数值的图像显示也是一项十分重要的工作.

3CFD在石油工程方面的应用

由于CFD技术可以帮助人们完成与流动相关的全部的设计计算过程,从最初的基本设计到最后的参数优化选择,又可使人们能够洞察设备的复杂流动状况,使得CFD技术在石油工业上的应用十分广泛,文章作者通过下载大量文献,并通过对其中的几十篇具有典型代表的文章进行研读,总结出CFD技术在石油中的应用主要包括以下几个方面.

3.1在油品输送管道中的应用

3.1.1在传统的热油管道中的应用,针对埋地热油管道停输温降的过程,建立物理和数学模型,并应用FLUENT软件模拟不同土壤的导热系数,不同大气下的温度分布,并且在稳态的基础上模拟非稳态过程,得到停输后温度场在不同条件影响下的分布规律,对于优化管道建设和制定科学合理的热油输送工艺起到了重要作用.

3.1.2在成品油管道中,应用FLUENT软件,对顺序输送混油进行CFD模拟,并将数值模拟结果与理论分析相比较,结果基本吻合,证明了混油管道数值模拟的可靠性,也为多种油品的输送顺序的先后提供了有力的验证方法,为实现管道的最优化提供了可能.

3.1.3在多相流管道中应用.例如在气液两相流管道中,利用FLUENT对管道内的两相流流型进行数值模拟,验证了VOF模型对模拟两相流流型中的气泡流,活塞流,分层流,段塞流以及波浪流的可靠性.并且对长直圆管内气液两相流流型随气液流量的变化进行了较为详细的研究.

3.1.4在其他流型管道中的应用.利用PHOENICS的功能建立同心和偏心环空流动的物理模型,采用K-S湍流模型和壁面函数法,对牛顿流体,幂律流体,宾汉流体的偏心环空流动进行数值计算,并利用Sci,Origin,Photoshop等后处理软件对数据、图片做了处理,得到了偏心环空流动的速度、压力、湍动能等流动参数的分布情况,进而分析得出了不同流速、偏心度、流性指数、屈服值、塑性粘度等条件对偏心环空流场特征的影响.

3.1.5在另类管道中的使用.在油田生产中,输油管道频繁发生重大的盗油破坏事件,严重影响了油田正常的生产秩序,给国家财产造成了巨大的损失.通过分析地下盗油管道的敷设特点,展开传热分析,利用CFD软件建立数学、物理模型,便可对管道问题进行有效的数值模拟,而且模拟结果与实际红外像温度场分布基本一致,证明了此方法的可信度.

3.1.6也可以利用CFD对实验数据进行修正.例如在管道局部摩阻损失的研究中,由于实验研究的局限性、离散型以及不准确性,导致了实验所测定的各种局部摩阻的有关数据与工程实际数据有很大的误差,利用FLUENT通用流体计算软件对管中的流动进行数值模拟,使得许多原来无法进行实验测定以及无法通过分析求解的局部摩阻等流体问题有了求的数值解的可能.而且模拟的计算值可以在一定程度上修订工程实际中采用的经验值.

3.2在石油勘探开发中的应用

随着石油勘探开发的发展,在复杂地质情况下的深井,超深井的数量越来越多,对钻井技术,钻井质量以及钻井的平均机械转速的要求越来越高.为了保证钻井质量,提高井下破岩效率,使用先进的井下工具、新材料、先进的技术和计算机辅助已成为重要的研究方向.

3.2.1应用CFD软件模拟涡轮钻具的机械特性.在传统的涡轮设计过程主要包括涡轮的结构设计、叶片造型设计、水力计算、内流场分析以及性能预测等部分,它们是相互独立的模块,操作困难,设计周期长,不利于探讨涡轮几何参数对其水动力性能的影响.应用VisualBasic编程软件与FLUENT流体动力分析、GAMBIT等软件相结合,将涡轮设计的各个模块集成于一体,建立集设计、造型、分析一体化的、高效率的轴流涡轮水力模型设计方案,提高了井下轴流涡轮水动力的转化效率,也为改进涡轮机械性能指明了途径.

3.2.2利用CFD做井喷风险分析.在油气勘探和开发工程中,不可控的井喷是最危险的事故之一,而其他的一些商业软件,如“HSE软件包”往往分析不够详细而且很容易低估井喷的后果.而CFD却能全面分析并能对“HSE软件包”不欲与考虑的特殊几何边界下的井喷分析,呈现出更高准确性,表现了CFD在做井喷风险分析方面的优越性.

3.3在炼油化工行业的应用

CFD在炼油化工行业的应用可谓数不胜数.填料床、生化反应器、干燥器、流化床、换热器等这些常见的生产设备,其内部流场流动规律较为复杂,传统实验的方法往往会受到模型尺寸、人身安全、测量精度的限制,而CFD方法却能克服上述弱点,不但节省了人力、财力,而且结果也更加可靠.

4结束语

文章主要汇总了该软件在石油行业某些领域中应用的典型事例,虽只是冰山一角,但随着计算机运行速度的加快,石油行业中很多在现实中很难通过理论分析或者实验研究得到有效解决的问题,如普遍存在的油气水多相流问题,这些问题都是CFD软件的强项,故CFD软件在石油领域应用的前景会更加广泛,值得进行深入研究.