Fluent軟件在三相流流場運動狀態中的仿真應用

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 電子科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田有限責任公司 測試技術服務分公司，黑龍江 大慶 163453；3.大慶油田有限責任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶 163000；4.大慶油田有限責任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163000)

?

Fluent軟件在三相流流場運動狀態中的仿真應用

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 電子科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田有限責任公司 測試技術服務分公司，黑龍江 大慶 163453；3.大慶油田有限責任公司 第二采油廠，黑龍江 大慶 163000；4.大慶油田有限責任公司第九采油廠，黑龍江 大慶 163000)

摘要：針對目前油田開采中普遍存在的低產液、高含水和三相流的問題，應使三相流體盡快分離，及時反饋，以優化設備，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量裝置中的狀態難以觀察。應用Fluent軟件對三相流體的運動狀態進行了數值模擬，通過對比多種不同流量、不同比例時的流體流運動狀態來總結三相流體的流動特點，可以更清晰直觀地觀察流動狀態，并幫助優化相關的傳輸和實驗裝置，節省了實驗成本，提高了工作效率。

關鍵詞：數值模擬；Fluent；動網格；三相流

數值模擬是根據給定事件的熱量、速度和壓力，并借助于計算機軟件，對模型的壓力、結構、速度、流量和動量能量等相關因素進行模擬的仿真技術。在特定環境下對模型數值模擬，完成理論模型的假想實驗，通過仿真云圖的顯示和數據分析體現結果，生動、準確地再現流體流動情境。

Fluent是一款CFD專業化的仿真軟件，適用于多種物理現象和復雜的流動形態，運用各種數值方法與特定的離散格式，使得準確度、運算速度以及穩定性等方面合理化、最佳化。Fluent軟件功能性強，涉及領域廣，在機械控制、油氣集輸、管道流動、材料力學以及多相流等應用中發揮著重要作用[1]。

多相流是研究氣態、液態和固態物質混合流動的學科。目前，國內大多數陸上油田處于中晚期開采階段，普遍存在高含水、多相流的現象[2]。本文主要應用Fluent軟件中的具體功能，模擬油氣水三相流流動狀態，得到模擬數據，降低了實驗成本。

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，可以對被研究對象進行二維或三維模型建立， 并且可以對其進行各種網格的劃分，例如：三角形、四面體和六面體等，并且可以根據需求、特性的不同對網格進行細分，可以生成可變網格、滑動網格以及動網格等。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，可將仿真結果顯示成坐標、圖像和動畫等，直接進行觀察及量化分析。

另外，Fluent軟件還可以與其他工程領域軟件進行互動讀取，如可對CAD、CAE軟件所建立的模型進行調用。Fluent軟件的使用過程如圖1所示。

圖1　Fluent軟件的使用過程

建立模型和劃分網格是數值模擬的第一步驟，網格的劃分與仿真結果有著密切關系[3]。首先，確定模型尺寸，在GAMBIT軟件中依照點→線→面→體的步驟畫出模型框架；其次，在確定計算區域后，就要把這個計算區域進行離散化處理，也就是網格的劃分，根據實際需要確定網格尺寸，生成網格，網格數越多，計算量越大，也相對準確；然后，確定邊界條件，根據條件選定入口、出口特性，如VELOCITY_INLET、PRESSURE_OUTLET，模型中實體設為WALL，虛體設為INTERIOR；最后，EXPORT-MESH，輸出MESH文件，第一步驟完成。

2求解模塊

將MESH文件導入Fluent軟件后，通過Fluent軟件中的Check功能檢查網格質量，統一單位長度、統計網格個數并做平滑化處理。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。對不可壓縮流體進行有效計算時采用離散方程，對可壓縮流體進行有效計算時應采用連續方程與動能守恒及能量守恒方程。對于湍流模型的有效計算，Fluent求解模塊應用代數模型、一元方程及二元方程模型等，通常也會應用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穿過區域的每一流體的體積分數來模擬2種或3種流體的求解，采用VOF模型；觀察不同時間狀態下的變化選用瞬態(unsteady)，相應的選取PISO算法；對于較為復雜的模型可以適當將松弛因子調低，以保障運算穩定性；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格，鄰近校正(Neighbor Correction)適用于非穩態下的過渡計算，壓力(Pressure)中PRISTO適用于旋轉，而Bodyforce適用于強體積力。

3后處理模塊

Fluent軟件的后處理模塊通過坐標、圖形和動畫等模式對計算結果進行顯示，可以直觀地反映出研究對象在特定應條件下的模擬結果，對下一步的研究和設計指明了方向，化簡了繁復的研究過程，同時可以判斷出研究過程中的錯誤。下述簡要介紹2種常用的監測方法；靜態監測和動態監測。

首先通過Surface-Like/Rake通過點連線的方式畫出希望監測的線段，隨后Plot-XY Plot，選擇方向可以觀測到特定時刻在這條線段上流經的各相體積分數(見圖2)。

圖2　靜態監測圖

如果要觀察一段時間內的流動情況或求出一段時間內各相流過的體積分數，可以采用動態監測法。通過Solve-Monitors-Surface選取1個要監測面或線以及相，可以出現各時刻該相的體積分數(見圖3)，并輸出電子表格，從而可以求解出一段時間內流經某一區域的各相體積分數。

圖3　動態監測圖

通過選擇Display-Graphics and Animations-Contours，可以對實際每一時刻的相分部、壓力和速度等多種參數進行直觀體現。在觀察三相流流場流動狀態時，體現各相的分布情況非常重要，油相在測量儀器中的分布情況如圖4所示。其中，左側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動網格的應用

在數值模擬中，通常有計算區域隨著時間變化的情況，為了更連貫地解決這類問題，可以應用Fluent軟件中提供的動網格模型(Dynamic Mesh)。在Fluent軟件中，動網格模型可以模擬由于流域邊界運動引起流域形狀隨時間變化的流動狀況。可以通過對應的UDF文件編譯自定義函數，通過此函數定義區域的變化，也可以利用Define-Dynamic Mesh-Events來定義。Events用來實現對事件的控制功能，可以在計算中通過設置自動改變設置，如步長、松弛因子和開關計算區域等。在設定相關參數后，可以將計算區域內3個面的狀態，在1 000 s處從WALL變更為INTERIOR(見圖5)。

圖5　動網格的設置

5結語

根據三相流體的特有性質，應用Fluent軟件選取相應的求解模塊進行模擬仿真，不僅可以觀察每一時刻的速度、壓力和相含量的仿真云圖，還可以得出有效圖像和數據，確定流動狀態，并計算出具體體積含量。用此方法可以優化測量裝置和集輸裝置，降低實驗成本，縮短實驗時間。

參考文獻

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

[2] 劉曉燕，劉揚. 油氣水三相流流型國內外實驗研究進展[J]．管道技術與設備，2007(4)，1-3．

[3] 韓占忠,王敬,蘭小平.Fluent—流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2010.

[4] 郭學濤.油氣水三相流數值模擬與持氣率測量方法研究[D].河北:燕山大學,2009.

責任編輯彭光宇

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：TE 357.8

文獻標志碼:A