Fluent软件在三相流流场运动状态中的仿真应用

夏　琳，刘兴斌，刘释骏，高　旭，姜兆宇，王朝宇，于　航

(1.东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2.大庆油田有限责任公司 测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163453；3.大庆油田有限责任公司 第二采油厂，黑龙江 大庆 163000；4.大庆油田有限责任公司第九采油厂，黑龙江 大庆 163000)



Fluent软件在三相流流场运动状态中的仿真应用

夏琳1，刘兴斌2，刘释骏2，高旭3，姜兆宇2，王朝宇4，于航2

(1.东北石油大学 电子科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2.大庆油田有限责任公司 测试技术服务分公司，黑龙江 大庆 163453；3.大庆油田有限责任公司 第二采油厂，黑龙江 大庆 163000；4.大庆油田有限责任公司第九采油厂，黑龙江 大庆 163000)

摘要：针对目前油田开采中普遍存在的低产液、高含水和三相流的问题，应使三相流体尽快分离，及时反馈，以优化设备，提高采收率。油田开采过程中，油气水三相流体在传输管道及地面测量装置中的状态难以观察。应用Fluent软件对三相流体的运动状态进行了数值模拟，通过对比多种不同流量、不同比例时的流体流运动状态来总结三相流体的流动特点，可以更清晰直观地观察流动状态，并帮助优化相关的传输和实验装置，节省了实验成本，提高了工作效率。

关键词：数值模拟；Fluent；动网格；三相流

数值模拟是根据给定事件的热量、速度和压力，并借助于计算机软件，对模型的压力、结构、速度、流量和动量能量等相关因素进行模拟的仿真技术。在特定环境下对模型数值模拟，完成理论模型的假想实验，通过仿真云图的显示和数据分析体现结果，生动、准确地再现流体流动情境。

Fluent是一款CFD专业化的仿真软件，适用于多种物理现象和复杂的流动形态，运用各种数值方法与特定的离散格式，使得准确度、运算速度以及稳定性等方面合理化、最佳化。Fluent软件功能性强，涉及领域广，在机械控制、油气集输、管道流动、材料力学以及多相流等应用中发挥着重要作用[1]。

多相流是研究气态、液态和固态物质混合流动的学科。目前，国内大多数陆上油田处于中晚期开采阶段，普遍存在高含水、多相流的现象[2]。本文主要应用Fluent软件中的具体功能，模拟油气水三相流流动状态，得到模拟数据，降低了实验成本。

1模型建立

Fluent软件以GAMBIT软件作为前处理模块，GAMBIT软件件功能灵活、容易操作，可以对被研究对象进行二维或三维模型建立， 并且可以对其进行各种网格的划分，例如：三角形、四面体和六面体等，并且可以根据需求、特性的不同对网格进行细分，可以生成可变网格、滑动网格以及动网格等。Fluent软件含有较为精确的求解算法，包括耦合法、非耦合法、显式算法和隐式算法等，并且后处理功能全面，可将仿真结果显示成坐标、图像和动画等，直接进行观察及量化分析。

另外，Fluent软件还可以与其他工程领域软件进行互动读取，如可对CAD、CAE软件所建立的模型进行调用。Fluent软件的使用过程如图1所示。

图1　Fluent软件的使用过程

建立模型和划分网格是数值模拟的第一步骤，网格的划分与仿真结果有着密切关系[3]。首先，确定模型尺寸，在GAMBIT软件中依照点→线→面→体的步骤画出模型框架；其次，在确定计算区域后，就要把这个计算区域进行离散化处理，也就是网格的划分，根据实际需要确定网格尺寸，生成网格，网格数越多，计算量越大，也相对准确；然后，确定边界条件，根据条件选定入口、出口特性，如VELOCITY_INLET、PRESSURE_OUTLET，模型中实体设为WALL，虚体设为INTERIOR；最后，EXPORT-MESH，输出MESH文件，第一步骤完成。

2求解模块

将MESH文件导入Fluent软件后，通过Fluent软件中的Check功能检查网格质量，统一单位长度、统计网格个数并做平滑化处理。N-S方程组是Fluent求解模块主要的求解方式[4]，并且Fluent求解模块还加载了SIMPLE、SIMPLEC和PISO等算法。对不可压缩流体进行有效计算时采用离散方程，对可压缩流体进行有效计算时应采用连续方程与动能守恒及能量守恒方程。对于湍流模型的有效计算，Fluent求解模块应用代数模型、一元方程及二元方程模型等，通常也会应用k-ε模型作为求解模块。

打开Fluent14.5软件，如果流域中有显著的长度尺寸，则勾选双精度求解器(Double Precision)；在三相流的求解中通过对穿过区域的每一流体的体积分数来模拟2种或3种流体的求解，采用VOF模型；观察不同时间状态下的变化选用瞬态(unsteady)，相应的选取PISO算法；对于较为复杂的模型可以适当将松弛因子调低，以保障运算稳定性；压力速度解耦(Pressure-Velocity Coupling)中，倾斜校正(Skewness Correction)适用于扭曲率较大的网格，邻近校正(Neighbor Correction)适用于非稳态下的过渡计算，压力(Pressure)中PRISTO适用于旋转，而Bodyforce适用于强体积力。

3后处理模块

Fluent软件的后处理模块通过坐标、图形和动画等模式对计算结果进行显示，可以直观地反映出研究对象在特定应条件下的模拟结果，对下一步的研究和设计指明了方向，化简了繁复的研究过程，同时可以判断出研究过程中的错误。下述简要介绍2种常用的监测方法；静态监测和动态监测。

首先通过Surface-Like/Rake通过点连线的方式画出希望监测的线段，随后Plot-XY Plot，选择方向可以观测到特定时刻在这条线段上流经的各相体积分数(见图2)。

图2　静态监测图

如果要观察一段时间内的流动情况或求出一段时间内各相流过的体积分数，可以采用动态监测法。通过Solve-Monitors-Surface选取1个要监测面或线以及相，可以出现各时刻该相的体积分数(见图3)，并输出电子表格，从而可以求解出一段时间内流经某一区域的各相体积分数。

图3　动态监测图

通过选择Display-Graphics and Animations-Contours，可以对实际每一时刻的相分部、压力和速度等多种参数进行直观体现。在观察三相流流场流动状态时，体现各相的分布情况非常重要，油相在测量仪器中的分布情况如图4所示。其中，左侧图版代表的是油相体积率的范围是从0~1。

图4　仿真云图

4动网格的应用

在数值模拟中，通常有计算区域随着时间变化的情况，为了更连贯地解决这类问题，可以应用Fluent软件中提供的动网格模型(Dynamic Mesh)。在Fluent软件中，动网格模型可以模拟由于流域边界运动引起流域形状随时间变化的流动状况。可以通过对应的UDF文件编译自定义函数，通过此函数定义区域的变化，也可以利用Define-Dynamic Mesh-Events来定义。Events用来实现对事件的控制功能，可以在计算中通过设置自动改变设置，如步长、松弛因子和开关计算区域等。在设定相关参数后，可以将计算区域内3个面的状态，在1 000 s处从WALL变更为INTERIOR(见图5)。

图5　动网格的设置

5结语

根据三相流体的特有性质，应用Fluent软件选取相应的求解模块进行模拟仿真，不仅可以观察每一时刻的速度、压力和相含量的仿真云图，还可以得出有效图像和数据，确定流动状态，并计算出具体体积含量。用此方法可以优化测量装置和集输装置，降低实验成本，缩短实验时间。

参考文献

[1] 杨晓锋,周灿丰. 基于Fluent的TIG焊接电弧数值模拟[J]. 新技术新工艺,2015(1):40-42.

[2] 刘晓燕，刘扬. 油气水三相流流型国内外实验研究进展[J]．管道技术与设备，2007(4)，1-3．

[3] 韩占忠,王敬,兰小平.Fluent—流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2010.

[4] 郭学涛.油气水三相流数值模拟与持气率测量方法研究[D].河北:燕山大学,2009.

责任编辑彭光宇

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

作者简介：夏琳(1990-)，女，硕士研究生，主要从事油田三相流等方面的研究。

中图分类号：TE 357.8

文献标志码:A