CFD数值模拟技术及应用

CFD数值模拟技术及应用

作者：丛峻， 王孟鸿， 骆云良

作者单位：北京建筑工程学院,北京,100044

1.学位论文王正茂油藏含砂流体渗流机理及流固耦合单井数值模拟研究2004

本文根据出砂油井开采过程中流体渗流和砂粒产生、运移、沉降、堵塞与油井围岩弹塑性变形动态耦合的作用机理,提出了"含砂流体流固耦合渗流数值模拟"这一新概念,并首次对含砂流体流固耦合渗流理论及数值模拟方法进行了研究,取得了突破性成果,对于易出砂储层的开采具有重要的指导意义.本文在前人大量实验和理论分析成果的基础上,将渗流力学、岩石力学和弹塑性力学相结合,通过多学科综合研究,首次建立了一套新型的、完整的含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟理论模型;探索出了实现含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟的一系列配套技术和方法;研制了在微机上实现含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟的软件,并通过实例分析验证了本文理论、方法及软件的正确性和有效性.在模型建立方面:本文通过多学科综合研究,创建了储层岩土骨架破坏准则和可动砂启动准则,为出砂油层流固耦合渗流单井数值模拟模型的建立打下坚实的基础.在此基础上,本文首次将流体中的可动砂作为流体中的一相进行研究,建立了流固耦合情况下流体和可动砂的运动方程以及骨架砂剥离本构方程、可动砂在孔隙表面和喉道沉降方程,并根据质量守恒原理建立了含砂流体流固耦合渗流三维四相单井黑油模型.然后根据油井围岩弹塑性变形的特点,建立了油井围岩弹塑性变形本构模型;并根据有效应力原理及平衡条件,建立了油井围岩弹塑性变形平衡微分方程.在物性参数动态模型方面,本文考虑了体积应变、骨架砂剥离、可动砂在孔隙表面和喉道沉积对物性参数的影响,建立了含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟所需的物性参数动态模型.这些准则和模型的建立,构成了完整的含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟模型.在模型求解方面:本文根据有限差分的基本原理,研究了用于含砂流体流固耦合渗流单井模型求解的有限差分方法;根据有限元的基本原理,研究了用于出砂流固耦合油井围岩弹塑性变形模型求解的有限元方法;根据含砂流体渗流模型差分求解和油井围岩弹塑性变形模型有限元求解的基本特点,研究了在两个模型间耦合求解的方法.在模拟器研制和实例分析方面:本文根据软件工程的基本要求,研制了含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟器;通过该模拟器对实例进行了模拟计算,证实了本文理论模型、方法与模拟器的正确性和有效性.研究结果表明,储层中砂粒产生、运移、沉降、堵塞对流体渗流、岩土骨架变形有着明显影响,并最终影响油井的开采.因此,含砂流体流固耦合渗流单井数值模拟不仅具有很强的理论意义,而且对油井开采和油田开发具有重要的指导作用.

2.期刊论文郝继光.姜毅.刘琦.HAO Ji-guang.JIANG Yi.LIU Qi导弹头部气动加热的流固耦合数值模拟-弹箭与

制导学报2006,26(4)

采用非定常数值模拟方法对某型号远程导弹头部气动加热问题进行了研究.提出了一种流固耦合的计算方法,在求解流体力学控制方程组的同时,求解流体与固体表面的热传递方程以及固体区域的能量方程.计算获得了各个时刻流场内的温度、压力、速度等参数的空间分布,同时得到了导弹头部固体区域及导弹内部的温度变化.研究表明,采用流固耦合方法对气动加热问题进行模拟,可以得到合理可用的弹表温度数据.

3.学位论文文成杨双重介质气藏流固耦合数值模拟研究2005

近年来，随着石油工业的发展以及解决复杂石油工程问题的需要，流固耦合研究在石油钻井、开采、开发领域显得越来越重要，并已受到人们的高度重视。目前，油气田开发数值模拟领域的流固耦合问题研究主要成果集中在单重介质多相流体流固耦合方面，双重介质储层流体流固耦合问题的特殊性表现为全耦合模型建立的难度大和数值求解技术的复杂性。本文针对目前在双重介质气藏流固耦合数值模拟问题的研究中存在的理论问题和求解技术进行了研究，采用双重有效应力理论来研究该问题，并推导了有限元求解方程，编制了计算程序。有利于制定科学合理的开发方案，提高决策的准确性和科学性。

本文在前人大量的实验和理论研究成果的基础上，在双重介质气藏流固耦合理论方面完成了以下研究工作：

1、分析了采用的Terzaghi广义有效应力理论研究岩石等致密介质的局限性和对双重介质流固耦合问题研究的不适应性，将双重有效应力理论作为基础来研究双重介质气藏流固耦合数值模拟问题。

2、针对双重介质气臧储层在变应力下的弹塑性变形特征，采用了基于Drucker-Prager准则建立的弹性储层和弹塑性储层的本构模型，并给出了相应的矩阵描述和矩阵表达式。

3、在油臧岩石应力和应变分析基础上，结合双重有效应力理论和岩石骨架本构关系，建立了双重介质储层岩石骨架应变的数学模型，包括应变孔隙体积方程、应变渗透率模型、岩石骨架本构关系等。固相平衡方程和流体流动方程组成了以流体压力和介质变形为函数相互耦合的双重介质气藏渗流的流固耦合模型。模型各方程之间互含耦合项，互不独立是一组完全耦合的偏微分方程。

4、由于控制方程的复杂特性和非线性，常用有限差分方法在处理差分网格的方向、复杂的曲线边界和非线性介质特性以及解的稳定性方面的计算精度无法满足数值模拟的精度要求。本文采用有限元方法，以位移和流体压力为未知变量，建立了双重介质气藏渗流的有限元数值模型。利用Galerkin方法得到了控制方程在几何域上的耦合解，并利用全隐式数值格式得到了半离散微分方程在时间域上的耦合解。

5、利用本文建立的流固耦合有限元模型，采用FEPG开发了裂缝—孔隙型双重介质气藏全耦合流固耦合渗流的数值模拟有限元计算程序。推导了一维单向模型解析解并与数值解计算程序进行对比，算例对比结果显示，数值模型计算程序结果与解析解结果相吻合。

6、对一典型裂缝—孔隙型双重介质气藏开采过程进行了数值模拟并与传统的非耦合模型和采用Terzaghi广义有效应力理论所建立的流固耦合模型相比较。结果表明，在双重介质气藏储层进行降压开采时，由于裂缝和孔隙压力降低，导致岩体有效应力的增加，使孔隙体积发生减小，油藏渗透率降低。与非耦合模型相比，考虑流固耦合效应时，油藏储层岩石的变形会对岩石物性参数产生影响，对模拟计算的开发指标有一定的影响。与采用

Terzaghi广义有效应力理论所建立的原有流固耦合模型相比，原有模型中考虑的油藏储层岩石的变形对岩石物性参数产生影响有所夸大。双重有效应力理论更能正确反映储层岩石应力的变化。

4.期刊论文王自明.杜志敏变温条件下弹塑性油藏中多相渗流的流固耦合数学模型与数值模拟-石油勘探与开发

2001,28(6)

基于流固耦合力学理论和热力学理论，建立了变温条件下弹塑性油藏中多相渗流的数学模型。假设油藏中岩石固相骨架是可变形的，孔隙流体压力、温度场的变化将导致油藏内有效应力发生变化，从而导致岩石骨架变形，这种变形反过来又影响多相流体的渗流。建立变温条件下完全耦合的流体渗流方程和固相变形方程，它们互不独立，不能单独求解，只能联立求解。假设岩石骨架具有弹塑性，采用了建立在屈服准则基础上的弹塑性本构模型。针对某些温度场变化大的油藏，如注热水、注蒸汽开采的油藏，充分考虑了温度场变化对岩石骨架变形和流体渗流的影响。将"热载荷"概念引入固相变形方程来描述这种影响，并给出了热载荷的求法。交替运用有限差分和有限元法给出变温条件下的耦合数值模拟方法。所建立的数值模拟方法可作为编制变温流固耦合软件的依据。参11(王自明摘)

5.期刊论文偶国富.许根富.朱祖超.杨健.王艳萍弯管冲蚀失效流固耦合机理及数值模拟-机械工程学报

2009,45(11)

针对流体输送管道失效研究中存在的问题,主要研究腐蚀与流体流动的交互作用对管道冲蚀破坏的作用机理.建立流固耦合数理模型,推导出在任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)描述下的粘性流体N-S方程和腐蚀产物保护膜固体区域的控制方程,分析管壁边界层多相流介质流动与腐蚀产物保护膜破损之间的耦合作用.以弯管的冲蚀失效为例,结合弯管的结构特性、多相流的物性参数,运用ANSYS有限元分析软件,采用物理环境顺序耦合法进行流固耦合数值模拟,分析管壁腐蚀产物保护膜的变形程度和受力状态,判定弯管冲蚀破坏的危险区域和失效趋势;现场测厚数据与仿真计算结果基本吻合,验证仿真计算的可靠性和可行性,该方法可用于管道输送系统的风险预测、安全评估和工艺改造.

6.期刊论文王侃.曹义华.于子文.潘星.Wang Kan.Cao Yihua.Yu Ziwen.Pan Xing降落伞流固耦合问题的数值模拟