CFD在石油工業方面的應用

李鵬

摘 要：隨著石油領域的快速發展，許多先進、完善的國際化軟件已經被廣泛應用在石油領域。CFD軟件作為一款全球化通用的流體模擬分析軟件，近幾年隨著計算機技術的迅猛發展，使其模擬的結果更為精確，應用的范疇也更為廣闊，這為計算機流體力學軟件進入石油化工行業奠定了基礎。

關鍵詞：CFD；數值模擬；石油化工；應用

1 概述

計算流體力學（Computational fluid Dynamics簡稱CFD）是20世紀60年代起伴隨著計算機技術迅速崛起的學科，如今這門學科已相當成熟，應用于的范圍也早已超越了傳統的流體力學和流體工程的范疇，如航空、航天、動力、水利等，而擴展到化工、核能、冶金、建筑、環境等許多相關領域。文章就著重介紹與總結其現在石油工業方面的應用以及所帶來的成效。

2 計算流體力學（CFD）簡介

2.1 CFD軟件的發展歷程

經過幾十年的發展，現代CFD技術已經能夠對從簡單的層流流動到復雜的湍流，燃燒，爆炸，激波等流體運動進行精細的數值模擬。而后，為了解決工程問題，世界上一些大的軟件公司把那些已經經過實踐檢驗的成熟而穩定的計算方法集合起來，形成了數值軟件包，專門用于CFD數值計算。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 首先要建立反映問題（工程問題、物理問題等）本質的數學模型。具體說就是要建立反映問題各量之間的微分方程及相應的定解條件。這是數值模擬的出發點。沒有正確完善的數學模型，數值模擬就無從談起。

2.2.2 數學模型建立之后，需要解決的問題是尋求高效率、高準確度的計算方法。由于人們的努力，如今已發展了許多數值計算方法。計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理等。

2.2.3 在確定了計算方法和坐標系后，就可以開始編制程序和進行計算。由于求解的問題比較復雜，比如Navier-Stokes方程就是一個非線性的十分復雜的方程，它的數值求解方法在理論上不夠完善，所以需要通過實驗來加以驗證。正是在這個意義上講，數值模擬又叫數值試驗。

2.2.4 在計算工作完成后，大量數據只能通過圖像形象地顯示出來。因此數值的圖像顯示也是一項十分重要的工作。

3 CFD在石油工程方面的應用

由于CFD技術可以幫助人們完成與流動相關的全部的設計計算過程，從最初的基本設計到最后的參數優化選擇，又可使人們能夠洞察設備的復雜流動狀況，使得CFD技術在石油工業上的應用十分廣泛，文章作者通過下載大量文獻，并通過對其中的幾十篇具有典型代表的文章進行研讀，總結出CFD技術在石油中的應用主要包括以下幾個方面。

3.1 在油品輸送管道中的應用

3.1.1 在傳統的熱油管道中的應用，針對埋地熱油管道停輸溫降的過程，建立物理和數學模型，并應用FLUENT軟件模擬不同土壤的導熱系數，不同大氣下的溫度分布，并且在穩態的基礎上模擬非穩態過程，得到停輸后溫度場在不同條件影響下的分布規律，對于優化管道建設和制定科學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，應用FLUENT軟件，對順序輸送混油進行CFD模擬，并將數值模擬結果與理論分析相比較，結果基本吻合，證明了混油管道數值模擬的可靠性，也為多種油品的輸送順序的先后提供了有力的驗證方法，為實現管道的最優化提供了可能。

3.1.3 在多相流管道中應用。例如在氣液兩相流管道中，利用FLUENT對管道內的兩相流流型進行數值模擬，驗證了VOF模型對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。并且對長直圓管內氣液兩相流流型隨氣液流量的變化進行了較為詳細的研究。

3.1.4 在其他流型管道中的應用。利用PHOENICS的功能建立同心和偏心環空流動的物理模型，采用K-S湍流模型和壁面函數法，對牛頓流體，冪律流體，賓漢流體的偏心環空流動進行數值計算，并利用Sci，Origin，Photoshop等后處理軟件對數據、圖片做了處理，得到了偏心環空流動的速度、壓力、湍動能等流動參數的分布情況，進而分析得出了不同流速、偏心度、流性指數、屈服值、塑性粘度等條件對偏心環空流場特征的影響。

3.1.5 在另類管道中的使用。在油田生產中，輸油管道頻繁發生重大的盜油破壞事件，嚴重影響了油田正常的生產秩序，給國家財產造成了巨大的損失。通過分析地下盜油管道的敷設特點，展開傳熱分析，利用CFD軟件建立數學、物理模型，便可對管道問題進行有效的數值模擬，而且模擬結果與實際紅外像溫度場分布基本一致，證明了此方法的可信度。

3.1.6 也可以利用CFD對實驗數據進行修正。例如在管道局部摩阻損失的研究中，由于實驗研究的局限性、離散型以及不準確性，導致了實驗所測定的各種局部摩阻的有關數據與工程實際數據有很大的誤差，利用FLUENT通用流體計算軟件對管中的流動進行數值模擬，使得許多原來無法進行實驗測定以及無法通過分析求解的局部摩阻等流體問題有了求的數值解的可能。而且模擬的計算值可以在一定程度上修訂工程實際中采用的經驗值。

3.2 在石油勘探開發中的應用

隨著石油勘探開發的發展，在復雜地質情況下的深井，超深井的數量越來越多，對鉆井技術，鉆井質量以及鉆井的平均機械轉速的要求越來越高。為了保證鉆井質量，提高井下破巖效率，使用先進的井下工具、新材料、先進的技術和計算機輔助已成為重要的研究方向。

3.2.1 應用CFD軟件模擬渦輪鉆具的機械特性。在傳統的渦輪設計過程主要包括渦輪的結構設計、葉片造型設計、水力計算、內流場分析以及性能預測等部分，它們是相互獨立的模塊，操作困難，設計周期長，不利于探討渦輪幾何參數對其水動力性能的影響。應用Visual Basic編程軟件與FLUENT流體動力分析、GAMBIT等軟件相結合，將渦輪設計的各個模塊集成于一體，建立集設計、造型、分析一體化的、高效率的軸流渦輪水力模型設計方案，提高了井下軸流渦輪水動力的轉化效率，也為改進渦輪機械性能指明了途徑。

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

3.3 在煉油化工行業的應用

CFD在煉油化工行業的應用可謂數不勝數。填料床、生化反應器、干燥器、流化床、換熱器等這些常見的生產設備，其內部流場流動規律較為復雜，傳統實驗的方法往往會受到模型尺寸、人身安全、測量精度的限制，而CFD方法卻能克服上述弱點，不但節省了人力、財力，而且結果也更加可靠。

4 結束語

文章主要匯總了該軟件在石油行業某些領域中應用的典型事例，雖只是冰山一角，但隨著計算機運行速度的加快，石油行業中很多在現實中很難通過理論分析或者實驗研究得到有效解決的問題，如普遍存在的油氣水多相流問題，這些問題都是CFD軟件的強項，故CFD軟件在石油領域應用的前景會更加廣泛，值得進行深入研究。

參考文獻

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