井下节流流场模拟
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其中x 是轴向坐标 , r 是径向坐标, V x 是轴向速 度 , V r 是径向速度。 11 112 动量守恒方程 5( ) 5 5 5p vx + 5x ( Θ vx vy) + 5y ( Θ vx vy) = - 5x + F x 5t Θ 5( ) 5 ( 5 ( 5p Θ vy + Θ vyv x) + Θ vyv x) = + Fy 5t 5x 5y 5x (2) 其中 5( vx vx ) + 5x 5 F y = Λ� 2 vy- [ 5x ( vyvx ) + 其中: F x = Λ� 2vx - [ 5 5 + 5x 5y 11 113 能量守恒方程 算子� = 5 ( )+ 5 ( 5 5 k 5T 〕 + T vxT ) + 5y ( Θ vyT ) = 5x〔 5t Θ 5x Θ C p 5x 5 k 5T ( 3) 〔 〕 + Sr 5y C p 5y 其中 Cp 是比热容 , T 为温度, k 为流体的传热 系数 , Sr 为流体的内热源及粒子动量源相 , 又称为 粘性耗散相。 当进行单相气节流模拟时, 没有液滴对 气相流场的作用 , S r 为零。 11 114 紊流特性方程 工 程 中 广 为采 用 的方 法 是 对 瞬态 N avier Stokes 方程做时间平均处理 , 同时补充反映紊流特 性的其他方程。 这里采用RN G k - Ε 模型的k 方程和 5( vx vy) ] 5y 5 ( )] 5y v yvy
ຫໍສະໝຸດ Baidu58
内蒙古石油化工 2010 年第 20 期
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井 下节 流流 场模 拟
尹国君
(吉林油田分公司采油工艺研究院采气工程研究所, 吉林 松原 138000)
摘 要: 利用FLU EN T 软件, 对节流气井井下节流流场进行了模拟。 结果表明, 在节流过程中, 气体 的压力、 速度、 密度等均发生了明显变化, 节流后气体马赫数增大, 节流后气体存在超声速, 节流过程中 流动状态是从亚音速一音速一超音速一亚音速变化的过程 , 变化过程中产生了一系列衰减的激波。 关键词: FLU EN T 软件; 节流流场; 数值模拟 中图分类号: TE 355 文献标识码: A 文章编号: 1006 —7981 ( 2010) 20— 0058— 05 由于节流机理十分复杂 , 井下节流过程中压力、 温度、 气体流速及密度等流场参数不断变化。 目前对 于井下节流气体流动规律认识不够清晰, 是否存在 超 声 速 等 诸 多 问 题 的 研 究 不 够 深 入。 CFD (Com p uta tiona l F luid D ynam ics) 即计 算流体 动力 学, 是目前国际上一个强有力的 研究领域, 是进行 ( 传热、 “三传” 传质、 动量传递 ) 及燃烧、 多相流和化 学反应研究的核心和重要技术 [1- 3 ]。 目前国际上流 行的 C FD 软件—F luen t 软件 , 针对每一种流动的物 理问题的特点 , 采用适合于它的数值解法, 在计算速 度、 稳定性 和精度等各方面达到 最佳。 因此, 采用 F luen t 流体模拟软 件, 建立井下节流 模型, 进行流 场模拟, 分析节流的流场中各参数的变化规律, 找到 影响井筒流体流动的影响因素, 形成一套节流气井 节流流场的分析方法。 1 模型建立 1. 1 数学模型 流体流动要受质量、 动量、 能量这些物理守恒定 律的支配。 流动处于紊流状态 , 系统还要遵守附加的 紊流输运方程。 数学模型的建立首先是基于物理模 型的提出 , 在节流嘴的研究中 , 将节流嘴及其两端管 道的几何形状简化为二维轴对称圆柱形, 流动状态 按可压缩理想气体紊流流动状态进行。 因此 , 得到的 连续气相的数学模型如下所述[ 411111 质量守恒方程 vr 5 p+ 5 ( )+ Θ = 0 vr 5t 5r Θ r
2 Ε k
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图 1 节流的几何尺寸
其中 Λ eff = Λ+ Λt (Λ 为流体动力粘度, 下标 t 表示 紊流流动 ) Λt = Θ CΛ E ij ) 1�2 k , Ε k2 3 Γ 〔 1- Γ�Γ 0〕 , C 1Ε = C 1t , Γ = ( 2E ijg Ε 1+ Β Γ3
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(1)
收稿日期: 201 0- 07 - 18
作者简介: 尹国君 ( 19 71 —) , 男, 1 99 6 年毕业于江 汉石油学 院采油工程 专业, 工 程师, 多年从事采 油气工程方 案编写工 作, 现从 事天 然气 开发 研究 工作。
2010 年第 20 期 尹国君 井下节流流场模拟 Ε方程作为补充方程[ 6- 7 ] , 具体如下: 5 ( ) 5( Θ ku i) 5 5k Θ k + = [a kΛeff ]+ G k + Θ Ε ( 4) 5t 5x i 5x j 5x j 5 ( ) 5( Θ Ε u i) 5 5k C3 1Ε Ε Θ Ε+ = [ a ΕΛeff ]+ G k - C 2ΕΘ 5t 5x i 5x j 5x j k
边界条件: 左边边界为流体入口 , 选用压力入口 边界条件, 入口处压力 1. 91 M P a; 右边边界为流动出 口 , 按压力出口边界处理, 出口压力为19. 14M Pa; 入 口温度为 327. 8K; 管 壁边界按固 壁无滑移边 界处 理 , 各种流动参数置为零。 1. 3 网格模型 网 格模型是在 Gam bit 软件中先绘制的三维结 构模型 , 再运用它的划分网格功能进行网格划分。 计 算网格是由结构型网格和非结构型网格组成。 在计 算区域中选定所需计算的流动参数的离散网格节点 (简称网格点 ) , 又称区域离散化。 根据 CFD 软件的 要求, 对网格的生成必须注意处理好边界形状并且 在流动参数梯度变化大的求解域要注 意网格的配 置。 对流动参数变化大的区域, 如阀口收缩段、 流动 的环隙等地方, 必须适当加密网格。 2 数值结果及分析 2. 1 节流过程流动状态的总体描述 整个节流流场节流压力分布如图2, 节流流线如 图 3。
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其中x 是轴向坐标 , r 是径向坐标, V x 是轴向速 度 , V r 是径向速度。 11 112 动量守恒方程 5( ) 5 5 5p vx + 5x ( Θ vx vy) + 5y ( Θ vx vy) = - 5x + F x 5t Θ 5( ) 5 ( 5 ( 5p Θ vy + Θ vyv x) + Θ vyv x) = + Fy 5t 5x 5y 5x (2) 其中 5( vx vx ) + 5x 5 F y = Λ� 2 vy- [ 5x ( vyvx ) + 其中: F x = Λ� 2vx - [ 5 5 + 5x 5y 11 113 能量守恒方程 算子� = 5 ( )+ 5 ( 5 5 k 5T 〕 + T vxT ) + 5y ( Θ vyT ) = 5x〔 5t Θ 5x Θ C p 5x 5 k 5T ( 3) 〔 〕 + Sr 5y C p 5y 其中 Cp 是比热容 , T 为温度, k 为流体的传热 系数 , Sr 为流体的内热源及粒子动量源相 , 又称为 粘性耗散相。 当进行单相气节流模拟时, 没有液滴对 气相流场的作用 , S r 为零。 11 114 紊流特性方程 工 程 中 广 为采 用 的方 法 是 对 瞬态 N avier Stokes 方程做时间平均处理 , 同时补充反映紊流特 性的其他方程。 这里采用RN G k - Ε 模型的k 方程和 5( vx vy) ] 5y 5 ( )] 5y v yvy
ຫໍສະໝຸດ Baidu58
内蒙古石油化工 2010 年第 20 期
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井 下节 流流 场模 拟
尹国君
(吉林油田分公司采油工艺研究院采气工程研究所, 吉林 松原 138000)
摘 要: 利用FLU EN T 软件, 对节流气井井下节流流场进行了模拟。 结果表明, 在节流过程中, 气体 的压力、 速度、 密度等均发生了明显变化, 节流后气体马赫数增大, 节流后气体存在超声速, 节流过程中 流动状态是从亚音速一音速一超音速一亚音速变化的过程 , 变化过程中产生了一系列衰减的激波。 关键词: FLU EN T 软件; 节流流场; 数值模拟 中图分类号: TE 355 文献标识码: A 文章编号: 1006 —7981 ( 2010) 20— 0058— 05 由于节流机理十分复杂 , 井下节流过程中压力、 温度、 气体流速及密度等流场参数不断变化。 目前对 于井下节流气体流动规律认识不够清晰, 是否存在 超 声 速 等 诸 多 问 题 的 研 究 不 够 深 入。 CFD (Com p uta tiona l F luid D ynam ics) 即计 算流体 动力 学, 是目前国际上一个强有力的 研究领域, 是进行 ( 传热、 “三传” 传质、 动量传递 ) 及燃烧、 多相流和化 学反应研究的核心和重要技术 [1- 3 ]。 目前国际上流 行的 C FD 软件—F luen t 软件 , 针对每一种流动的物 理问题的特点 , 采用适合于它的数值解法, 在计算速 度、 稳定性 和精度等各方面达到 最佳。 因此, 采用 F luen t 流体模拟软 件, 建立井下节流 模型, 进行流 场模拟, 分析节流的流场中各参数的变化规律, 找到 影响井筒流体流动的影响因素, 形成一套节流气井 节流流场的分析方法。 1 模型建立 1. 1 数学模型 流体流动要受质量、 动量、 能量这些物理守恒定 律的支配。 流动处于紊流状态 , 系统还要遵守附加的 紊流输运方程。 数学模型的建立首先是基于物理模 型的提出 , 在节流嘴的研究中 , 将节流嘴及其两端管 道的几何形状简化为二维轴对称圆柱形, 流动状态 按可压缩理想气体紊流流动状态进行。 因此 , 得到的 连续气相的数学模型如下所述[ 411111 质量守恒方程 vr 5 p+ 5 ( )+ Θ = 0 vr 5t 5r Θ r
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图 1 节流的几何尺寸
其中 Λ eff = Λ+ Λt (Λ 为流体动力粘度, 下标 t 表示 紊流流动 ) Λt = Θ CΛ E ij ) 1�2 k , Ε k2 3 Γ 〔 1- Γ�Γ 0〕 , C 1Ε = C 1t , Γ = ( 2E ijg Ε 1+ Β Γ3
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收稿日期: 201 0- 07 - 18
作者简介: 尹国君 ( 19 71 —) , 男, 1 99 6 年毕业于江 汉石油学 院采油工程 专业, 工 程师, 多年从事采 油气工程方 案编写工 作, 现从 事天 然气 开发 研究 工作。
2010 年第 20 期 尹国君 井下节流流场模拟 Ε方程作为补充方程[ 6- 7 ] , 具体如下: 5 ( ) 5( Θ ku i) 5 5k Θ k + = [a kΛeff ]+ G k + Θ Ε ( 4) 5t 5x i 5x j 5x j 5 ( ) 5( Θ Ε u i) 5 5k C3 1Ε Ε Θ Ε+ = [ a ΕΛeff ]+ G k - C 2ΕΘ 5t 5x i 5x j 5x j k
边界条件: 左边边界为流体入口 , 选用压力入口 边界条件, 入口处压力 1. 91 M P a; 右边边界为流动出 口 , 按压力出口边界处理, 出口压力为19. 14M Pa; 入 口温度为 327. 8K; 管 壁边界按固 壁无滑移边 界处 理 , 各种流动参数置为零。 1. 3 网格模型 网 格模型是在 Gam bit 软件中先绘制的三维结 构模型 , 再运用它的划分网格功能进行网格划分。 计 算网格是由结构型网格和非结构型网格组成。 在计 算区域中选定所需计算的流动参数的离散网格节点 (简称网格点 ) , 又称区域离散化。 根据 CFD 软件的 要求, 对网格的生成必须注意处理好边界形状并且 在流动参数梯度变化大的求解域要注 意网格的配 置。 对流动参数变化大的区域, 如阀口收缩段、 流动 的环隙等地方, 必须适当加密网格。 2 数值结果及分析 2. 1 节流过程流动状态的总体描述 整个节流流场节流压力分布如图2, 节流流线如 图 3。