计算流体力学在石油工业中应用
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▪ PIV系统示意图
14
PIV粒子图像测速系统
Particle Image Velocimetry (PIV) • 定量化的图像显示技术 • 测量流体中示踪粒子的位移，在瞬间获 得流场中一个平面内多点（成千上万） 的二维或三维速度矢量分布。 • 测量一个时刻流场内多点的流动特性 （面测量）提供一个时刻空间序列的流 场结构 • 一次可获得一个平面内的流场特性 • 测量粒子通过已知时间的位移计算速度
▪ 求解方程组，解释所得到解的物理含义和流动机理。通常 还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解 的准确程度和力学模型的适用范围。
4
（二）实验流体力学
▪ 实验流体力学 （experimental fluidmechanics ）: 主要用实验方法研究自然界或各类工程领域中的流 体流动现象和规律以及流体与固体之间的相互作用 的流体力学分支。
15
PIV - 原理
片光源
... .
.. ... .
..... .
.
...... .... ..............................
流动平面
...
..
.
.
.............
.... ....
.
.. .
..... ..
...
...
............
t - 两个脉冲之间的时间 x – 粒子在X方向的位移 y – 粒子在Y方向的位移
12
▪ 在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为： （1）比重要尽可能与实验流体相一致；（2）足 够小的尺度；（3）形状要尽可能圆且大小分布 尽可能均匀；（4）有足够高的光散射效率。通 常在水动力学测量中大都采用固体示踪粒子，如 聚苯乙烯及尼龙颗粒、铝粉、荧光粒子等，国外 已有公司专门为PIV测量研制出了在流体中接近 上述要求的高质量固体粒子，但目前这种粒子价 钱非常昂贵。
▪ 实验方法包括现场观测及实验室模拟两大类。前者 是对实际存在的流动现象进行系统观测，以便分析 流动规律，预测流动现象的演变，如气象、水文、 潮汐研究等。但实际流动往往不易控制，无法重复， 且流动尺度大，实验成本比较高。实验室模拟可控 制实验条件，现象可以重演，产生的流动具有典型 性，有利于揭示复杂流动的本质和规律，成为主要 的实验手段。
A
y
x
Velocity of particle A ux = x/t as t 0 uy = y/t as t 0
16
查询网格
互相关处理
frame 1 frame 2
Crosscorrelatio
n
查询网格 粒子位移
Vector field
Crosscorrelation
17
PIV系统组成
▪ 光源系统——利用脉冲激光器照亮流场中
5
两相管流
6
7
8
9
轴 向 速 度 (m/s)
0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02
0
200ppm 400ppm 600ppm 800ppm
5
10
15
20
25
30
网 格 数 (个)
10
粒子图像速度场仪
（Particle image velocimetry）
的一个测量平面 ➢ 双脉冲激光器 ➢ 配件：激光光导臂系统、片光源透镜组
▪ 图像采集系统 ——捕捉粒子图像并记录
➢ CCD相机 ➢ 高精度时序同步控制器 ➢ 配件：532±5nm窄带滤波镜、高速数
字影像数据采集板
18
PIV系统组成
▪ 软件平台
− 系统硬件控制 − 图像分析、显示软件平台
2维PIV系统
▪ 首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题， 分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而 建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的 基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想 流体、平面流动等。
3
▪ 其次是针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动 量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程、 动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流动参量 的关系式(例如状态方程)，或者其他方程。建立流体力学 Байду номын сангаас本方程组。
3维PIV系统
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双腔激光器
▪ 脉冲能量：200 mJ/pulse ▪ 3~5 ns 脉宽
➢ 冻结粒子图像 ▪ 脉冲间隔时间T可以调节
➢ 测量速度从mm/s到超音速 ▪ 脉冲频率：15Hz ▪ 532nm 波长
20
激光光导臂
▪ 全封闭传输高能量激光
▪ 输出可三维全方向移动
▪ 标准配置长度1.5m ▪ 七关节、九关节
▪ PIV（粒子成像测速）全名：Particle Image Velocimetry,又称粒子图像测速法，是七十年代 末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体 力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发 展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如 LDV）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间 点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间 结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪 粒子外，所有测量装置并不介入流场。另外PIV 技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述 优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课 题，因而日益得到重视。
11
▪ 目前PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的 PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪 粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知 很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态 速度分布。若示踪粒子有足够高的流动跟随性， 示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状 态。因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。
计算流体力学在石油工业中的应用
▪ 一、流体力学发展及分支 ▪ 二、计算流体力学在石油工业中的应
用
1
一、流体力学发展及分支
力学
理论力学
弹塑性力学
弹性力学
材料力学
…………
流体力学
…………
理论流体力学
流体力学
实验流体力学
计算流体力学
2
（一）理论流体力学
▪ 理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守 恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动， 解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步骤 大致如下：
21
激光片光源透镜组
Spherical lens
waist
• 紧凑的透镜组合
• 由球面镜和柱面镜组成
Cylindrical–lens调节片光源厚度和尺寸
▪ PIV系统示意图
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PIV粒子图像测速系统
Particle Image Velocimetry (PIV) • 定量化的图像显示技术 • 测量流体中示踪粒子的位移，在瞬间获 得流场中一个平面内多点（成千上万） 的二维或三维速度矢量分布。 • 测量一个时刻流场内多点的流动特性 （面测量）提供一个时刻空间序列的流 场结构 • 一次可获得一个平面内的流场特性 • 测量粒子通过已知时间的位移计算速度
▪ 求解方程组，解释所得到解的物理含义和流动机理。通常 还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解 的准确程度和力学模型的适用范围。
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（二）实验流体力学
▪ 实验流体力学 （experimental fluidmechanics ）: 主要用实验方法研究自然界或各类工程领域中的流 体流动现象和规律以及流体与固体之间的相互作用 的流体力学分支。
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PIV - 原理
片光源
... .
.. ... .
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...... .... ..............................
流动平面
...
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.... ....
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t - 两个脉冲之间的时间 x – 粒子在X方向的位移 y – 粒子在Y方向的位移
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▪ 在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为： （1）比重要尽可能与实验流体相一致；（2）足 够小的尺度；（3）形状要尽可能圆且大小分布 尽可能均匀；（4）有足够高的光散射效率。通 常在水动力学测量中大都采用固体示踪粒子，如 聚苯乙烯及尼龙颗粒、铝粉、荧光粒子等，国外 已有公司专门为PIV测量研制出了在流体中接近 上述要求的高质量固体粒子，但目前这种粒子价 钱非常昂贵。
▪ 实验方法包括现场观测及实验室模拟两大类。前者 是对实际存在的流动现象进行系统观测，以便分析 流动规律，预测流动现象的演变，如气象、水文、 潮汐研究等。但实际流动往往不易控制，无法重复， 且流动尺度大，实验成本比较高。实验室模拟可控 制实验条件，现象可以重演，产生的流动具有典型 性，有利于揭示复杂流动的本质和规律，成为主要 的实验手段。
A
y
x
Velocity of particle A ux = x/t as t 0 uy = y/t as t 0
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查询网格
互相关处理
frame 1 frame 2
Crosscorrelatio
n
查询网格 粒子位移
Vector field
Crosscorrelation
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PIV系统组成
▪ 光源系统——利用脉冲激光器照亮流场中
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两相管流
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轴 向 速 度 (m/s)
0.20 0.18 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 -0.02
0
200ppm 400ppm 600ppm 800ppm
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网 格 数 (个)
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粒子图像速度场仪
（Particle image velocimetry）
的一个测量平面 ➢ 双脉冲激光器 ➢ 配件：激光光导臂系统、片光源透镜组
▪ 图像采集系统 ——捕捉粒子图像并记录
➢ CCD相机 ➢ 高精度时序同步控制器 ➢ 配件：532±5nm窄带滤波镜、高速数
字影像数据采集板
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PIV系统组成
▪ 软件平台
− 系统硬件控制 − 图像分析、显示软件平台
2维PIV系统
▪ 首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题， 分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而 建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的 基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想 流体、平面流动等。
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▪ 其次是针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动 量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程、 动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流动参量 的关系式(例如状态方程)，或者其他方程。建立流体力学 Байду номын сангаас本方程组。
3维PIV系统
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双腔激光器
▪ 脉冲能量：200 mJ/pulse ▪ 3~5 ns 脉宽
➢ 冻结粒子图像 ▪ 脉冲间隔时间T可以调节
➢ 测量速度从mm/s到超音速 ▪ 脉冲频率：15Hz ▪ 532nm 波长
20
激光光导臂
▪ 全封闭传输高能量激光
▪ 输出可三维全方向移动
▪ 标准配置长度1.5m ▪ 七关节、九关节
▪ PIV（粒子成像测速）全名：Particle Image Velocimetry,又称粒子图像测速法，是七十年代 末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体 力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发 展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如 LDV）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间 点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间 结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪 粒子外，所有测量装置并不介入流场。另外PIV 技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述 优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课 题，因而日益得到重视。
11
▪ 目前PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的 PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪 粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知 很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态 速度分布。若示踪粒子有足够高的流动跟随性， 示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状 态。因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。
计算流体力学在石油工业中的应用
▪ 一、流体力学发展及分支 ▪ 二、计算流体力学在石油工业中的应
用
1
一、流体力学发展及分支
力学
理论力学
弹塑性力学
弹性力学
材料力学
…………
流体力学
…………
理论流体力学
流体力学
实验流体力学
计算流体力学
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（一）理论流体力学
▪ 理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守 恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动， 解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步骤 大致如下：
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激光片光源透镜组
Spherical lens
waist
• 紧凑的透镜组合
• 由球面镜和柱面镜组成
Cylindrical–lens调节片光源厚度和尺寸