在水平圆管两相流数值模拟中的应用

1.3 FLUENT 程序可以求解的问题
FLUENT 可以求解二维和三维流动计算问题，在计算过程中，网格可以自适应进行调 整。FLUENT 软件应用范围很广，主要包括一下：
FLUENT 可以计算的流动类型[3]包括： 1．任意复杂外形的二维/三维流动。 2．可压、不可压流。 3．定常、非定常流。 4．无粘流、层流和湍流。 5．牛顿、非牛顿流体流动。
∂ ∂t
(
ρm
)
+
∇
⋅
(
ρm
G vm
)
=
m
G 方程式中的 vm 是质量平均速度，可用式（2）表示
∑ G
vm =
n k
α
=1
k
ρ
k
G vk
ρm
其中的 ρm 是混合密度，可用式（3）表示：
（1） （2）
n
∑ ρm = αk ρk k =1
（3）
各式中的αk 是第 k 相的体积分数。
在本次试验中，混合流体中共有两相，分别是水相和油相。所以相数 n = 2 ,当 k=1 是油
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6．对流传热，包括自然对流和强迫对流。 7．热传导和对流传热相耦合的传热计算。 8．辐射传热计算。 9．惯性（静止）坐标、非惯性（旋转）坐标下中的流场计算。 10．多层次移动参考系问题，包括动网格界面和计算动子/静子相互干扰问题的混合面 等问题。 11．化学组元混合与反应计算，包括燃烧模型和表面凝结反应模型。 12．源项体积任意变化的计算，源项类型包括热源、质量源、动量源、湍流源和化学组 分源项等形式。 13．颗粒、水滴和气泡等弥散相的轨迹计算，包括弥散相与连续项相耦合的计算。 14．多孔介质流动计算。 15．用一维模型计算风扇和换热器的性能。 16．两相流，包括带空穴流动计算。 17．复杂表面问题中带自由面流动的计算。 简而言之，FLUENT 适用于各种复杂外形的可压和不可压流动计算。
+
α2
ρ
G 2v2
ρm
=0.5625
G
最后将 vm =0.5625 带入到连续方程（1）中即可。
2 动量方程：
( ) ∑ ∂
∂t
(
ρm
G vm
)
+
∇
⋅
(
ρm
GG vmvm
)
=
−∇p + ∇ ⋅ ⎡⎣
G ∇vm
+ ∇vGmT
式中，n
是相数，
G F
是体积力，
μm
是混合粘性：（4）
⎤⎦
+
ρm
G g
+
G F
Abstract: This paper choose FLUENT software to simulate oilwater two-phase flow in the circular pipe, from which gets the flow field distributions and other valuable parameters. Not only provides vivid images to the oil industry field work, but also provides corresponding data for decision-making and control. This shows that FLUENT plays a very important rolein basic issues of research. Keywords:computer application; mixture model; numerical simulation
0 引言
在石油行工业中，输油管道中常常会有油气水的混合物输送。根据流动介质的不同组合 将其划分为气液两相流、油水两相流和油气水三相流[1]。在油田开发过程中采用的注水开采 方式，使得产出液含水率增加。就不可避免的出现油水两相混合流动现象。国内外对两相流 的研究起步并不是很早，在两相流的某些研究领域取得了很大进展。但是在油水两相流这方 面的进展却远落后于气、液两相流的研究。油水两相流是十分复杂的流动现象，其参数变化 会形成很多不同的流型。从传感器中可以得到大量的数据，形成三维数据场。将海量的测量 数据转变为图表等可视化信息可以激发人的形象思维。如果采用 FLUENT 软件对圆形管道 内的水油两相流流动进行了数值模拟，从中得到了流场分布情况和其它有价值的参数。不仅 给石油工业现场作业提供了生动画面，而且也为决策和控制提供了相应的数据。
+
∇
⋅
⎛ ⎜⎝
n k =1
αk
ρ
k
G vdr
,
k
G vdr
,k
⎞ ⎟⎠
n
∑ μm = αk μk
k =1
G 其中 vdr,k 是第二相的飘移速度：
G vdr , k
=
G vk
−
G vm
G
（5）
G
（6）
在混合两相流流中，n=2,体积力 F 这里可以看作是重力，所以 F =mg,其中 g=9.8N/kg。
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FLUENT 在水平圆管两相流数值模拟中的 应用#
靖固，宋扬**
（哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，哈尔滨 150080） 摘要：本文采用 FLUENT 软件对圆形管道内的水油两相流流动进行了数值模拟，从中得到了 流场分布情况和其它有价值的参数。不仅给石油工业现场作业提供了生动画面，而且也为决 策和控制提供了相应的数据。这说明了 FLUENT 在基础问题的研究中起到了非常重要的作用。 关键词：计算机应用；混合模型；数值模拟 中图分类号：TP391.9

它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、 石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。FLUENT 软件设计基于 CFD 软件群的 思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动和物理现象，采用不同的离散格式和数值方 法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而可以高效率 地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，FLUENT 开发了适用于各个领域的 流动模拟软件，用于模拟流动、传热传质、化学反应和其他复杂的物理现象，各模拟软件都 采用了同意的网格生成技术和共同的图形界面，大大方便了用户。
或 体
网
格
TGrid 二维三角型网格 网格 三维四面体网格
二维和三维混合网格
图 1 基本程序结构 Fig. 1 basic program structure
2 模型建立
2.1 问题的物理描述
在油田开发过程中，采用注水开采的方式使得地层中的岩石空隙到井筒，以及到地面上 的长距离输送管线中都有油水两相流现象。以地面上的长距离输送管线为例，经过简化，可 以建立一个简化模型-一段水平放置的直管。
1 FLUENT 软件简介
1.1 FLUENT 概述
FLUENT 通用 CFD 软件包[2]，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。 FLUENT 是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包，在美国的市场占有率为 60％，只要涉 及流体、热传递及化学反应等的工程问题，都可以应用 FLUENT 来进行结算。由于采用了 多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而 FLUENT 能达到最佳的收敛速度和求解精度。
图 3 网格划分图 Fig. 3 Meshing picture
图 4 三维圆柱网格划分图 Fig. 4 Meshing of 3D cylinder
图 3 对二维管道网格划分的很细，所以看不清细节。图 4 给出一个清晰的例子能看清网 格划分的细节。也就是说如果将图 3 放大后看到的划分结果会是像图 4 中的四边形面片一样。
1.4 FLUENT 的程序结构
FLUENT 的基本程序结构[4]如下图所示：
GAMBIT 设置几何形状生成 二维三维网格
二维或 三维网格
prePDF PDF 查表
PDF 程序
Fluent 网格的输入与调整 物理模型 边界条件 流体物性确定 计算 结果后处理
其它软件包，如
CAD,CAE 等
边
界
和ห้องสมุดไป่ตู้
边界网格
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2.2 几何模型
建立模型[5]是划分网格的先决条件。启动 CFD 的前置处理器 Gambit。按照点、线、面 的顺序建立一个二维的直管模型。创建好的模型如图所示，对其进行网格划分后如图所示：
图 2 直管模型图 Fig. 2 Straight tube model chart
2.3 边界条件
如下图 5 所示，管道的左端设置为 VELOCITY_INLET 边界，命名为 INLET，最右端设 置为 PRESSURE_OUTLET 边界，命名为 OUTLET。外边设置为 WALL，命名为 INTERIOR。 保存后输出为 msh 文件，命名为 tube_1.msh。
图 5 边界条件设置图 Fig. 1 Boundary setting
基金项目：黑龙江省教育厅计划项目（10051056） 作者简介：靖固，（1961-），女，教授，主要研究方向为计算机可视化及嵌入式计算在测控技术中的应用 等 通信联系人：宋扬，（1985-），女，硕士研究生，主要研究方向为计算机可视化等. E-mail: leowonder@
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The Application of Numerical Simulation of Two-Phase
Flow in Horizontal Pipe Based on FLUENT
Jing Gu, Song Yang
(School Of Science And Tecnology,HarBin University Of Science And Tecnology, HarBin 150080)