數(shù)值模擬步驟

1、數(shù)值模擬1、CFD方法簡介利用CFD方法，采用流體力學(xué)分析軟件 Flue nt對三相分離器的流場進行了研究 和分析，為實驗研究提供理論支持。CFD是英文Computational Fluid Dynamics（計算流體動力學(xué)）的縮寫,是一門用數(shù)值計算方法求解流動主控方程以發(fā)現(xiàn)各種流動現(xiàn)象規(guī)律的學(xué)科。用CFD技術(shù)進行 數(shù)值求解的基本思想是：把原來在空間與時間坐標中連續(xù)的物理量的場，用一系列 有限個離散點上的值的集合來代替，通過一定的原則來建立離散點上變量值之間關(guān) 系的代數(shù)方程，求解代數(shù)方程以獲得所求解變量的近似值。 其主要用途是對流態(tài)進行 數(shù)值仿真模擬計算，因此，CFD技術(shù)的用途十分廣泛，可用于

2、傳質(zhì)、傳熱、動量傳遞 及燃燒等方面的研究。流體機械的研究中多用CFD方法對分離器進行仿真模擬，其基本應(yīng)用步驟如下:1）利用Gimbit進行前處理a. 根據(jù)分離的形狀、結(jié)構(gòu)及尺寸建立幾何模型;b. 對所建立的幾何模型進行網(wǎng)格劃分；2）利用Flue nt進行求解a. 確定計算模型及材料屬性;b. 對研究模型設(shè)置邊界條件;C.對前期設(shè)置進行初始化，選擇監(jiān)視器，進行迭代計算;3）利用Flue nt進行后續(xù)處理，實現(xiàn)計算結(jié)果可視化及動畫處理。上述迭代求解后的結(jié)果是離散后的各網(wǎng)格節(jié)點上的數(shù)值，這樣的結(jié)果不直觀。因 此需要將求解結(jié)果的速度場、溫度場或濃度場等用計算機表示出來，這也是CFD技術(shù) 應(yīng)用的必要組成

3、部分。利用CFD方法進行仿真模擬可以對分離器的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)選擇作出指導(dǎo)，保證 設(shè)計的準確度，也可以為分離器樣機的試驗提供理論參考。由于CFD仿真模擬的廣泛 使用及其重要性，國內(nèi)外很多學(xué)者，如 Mark D Turrell 、M.Narasimha、師奇威等都 對其進行了研究，尤其是 A.F. Nowakowski及Daniel J.SUASNABAR等人對CFD技術(shù)在旋流器模擬方面的應(yīng)用做了詳細的介紹，這些工作對CFD技術(shù)的發(fā)展起到了積極的 促進作用。2、控制方程流體流動要受物理定律的支配，基本的守恒定律包括：質(zhì)量守恒定律，動量守恒 定律、能量守恒定律。如果流動處于湍流狀態(tài)，系統(tǒng)還應(yīng)要遵守附

4、加的湍流輸運方程。 1、基本假設(shè)天然氣的主要成分是是甲烷，故采用甲烷的替代天然氣的性質(zhì); 在工作狀態(tài)下，流動不隨時間變化，流動為穩(wěn)態(tài)； 水在管內(nèi)的流動可以簡化成二維流動；不考慮溫度的影響，服從絕熱流動基本方程。(1) 鑒于我國各主力油田采出液含水已達到 80%以上，故以水代替采出液進行分 析計算；(2)(3)(4)2、基本控制方程(1)連續(xù)性方程在直角坐標系下的質(zhì)量守恒方程又稱連續(xù)性方程：W 0(1-1)Xi(2)動量方程:(UiUj)X XjXj(1-2)2式(1-1，1-2)中U為流體速度，下標i表示方向，上標表示脈動值，上標“-” 代表對時間的平均，卩為動力粘度，P為流體微元體上的壓力。

5、C模型，其原理是用紊動能 而流體的有效粘性系數(shù)即是流體分子由于RNG k-c模型在工程流場計算中具有諸多優(yōu)勢，故對結(jié)構(gòu)內(nèi)部的數(shù)值模擬 采用RNG- c模型進行。RN(k- c模型是改進的標準k- k和紊動能耗散率c來表示流體湍流粘性系數(shù)， 粘性系數(shù)和湍流粘性系數(shù)之和。 k方程和c方程分別為：(k)t(kUi)XiXjkkUeff GkXj(1-3)()(tUi)Xi*C1XjGkC2(1-4)其中:effk2C ，C 0.0854, k1.39Ci*Ci(1lG 1.42, C21.68(1-5)V k1 ILUiEMJEij寺 0 4.377, 0012RNG- £模型通過修正湍流

6、粘度，考慮了平均流動中的旋轉(zhuǎn)和旋流流動情況， 在 6方程中增加了一項，從而反映了主流的時均應(yīng)變率 Ej，這樣，RNG k-£模型中產(chǎn) 生項不僅與流動有關(guān)，而且在同一問題中也還是空間坐標的函數(shù)。故 RNG k-£模型 可以更好的處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動。3、網(wǎng)格劃分借助gambit軟件對直管段劃分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對非直管段劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。四種結(jié) 構(gòu)的網(wǎng)格劃分如圖所示：結(jié)構(gòu)二結(jié)構(gòu)一結(jié)構(gòu)三結(jié)構(gòu)四5、模型的選擇及邊界條件的確定應(yīng)用多相流中的歐拉模型；控制方程采用 RNG k弋 模型；入口邊界條件設(shè)置為 速度入口，出口邊界條件設(shè)置為自由出流；由于入口兩相中含夜體積分數(shù)極小，湍動

7、 粘度影響遠大于重力，固忽略重力的影響；湍流強度設(shè)置為10%水力直徑為圓管內(nèi)流 道截面直徑。6模擬結(jié)果分析6.1結(jié)構(gòu)一的模擬1）入口流速3m/s,液相體積分數(shù)分別為：0. 001%、0.003%、0.005% 三種情況氣相濃度場分布如圖所示：1普SMItIMIhh pr 21-1-'JFVt fs Jn tfim «ubw_三種情況速度場分布如圖所示:hnHUN 九-i-il. 'Ms一 95一莓fi-1 -£ -=_£&ii±i±-T iKBBlsie-IZA 二_*三聲童ae叵 ftn-t-=>_-1-=-&#

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18、,液相體積分數(shù)分別為：0. 001%、0.003%、0.005%。三種情況 氣相濃度場分布如圖所示：IPi i世-»l-d謝冠-存 K二匸二-二匚；gJMtTSfc_y37&fgjr:TLrrWcik- ,.' _ -= r_Z_a二-二 : 'vHrFci.li- 則¥比 AhFrr Iw »i- IJC廠,3淀尸.31 b- 1三種情況速度場分布如圖所示- I,51” H1 -f- /筈-u！II:41-li11|siHN-.h；-i- -,比1 >!.- -,電！ I a B»r ； .* 三丄壬 _I ' _

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