發(fā)布時(shí)間：2020-04-26 16:30

【摘要】：兩相流廣泛存在于油氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域各個(gè)方面,包括油氣田集輸管道,油氣水分離設(shè)備及儲(chǔ)罐等。多相流動(dòng)過程在油氣儲(chǔ)運(yùn)中有利有弊,例如多相混輸技術(shù)與油氣水分離技術(shù),它們分別對(duì)應(yīng)利弊兩方面。總的來說,無論是利用多相流還是防止多相流,都需要通過對(duì)其物理機(jī)理研究來加深對(duì)多相流本質(zhì)規(guī)律的理解。本文針對(duì)油氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域罐體兩相中常見的液滴與氣泡運(yùn)動(dòng)過程,基于擴(kuò)散界面相場(chǎng)方法,從“微觀小尺度”角度出發(fā)對(duì)該物理過程進(jìn)行直接數(shù)值模擬研究,屬于多相流研究中基礎(chǔ)性,理論性的研究工作�；谀芰慷傻臄U(kuò)散界面相場(chǎng)方法有別于傳統(tǒng)銳利界面方法,該方法在數(shù)值模擬過程中無需對(duì)界面進(jìn)行重構(gòu),易于從二維模型推廣到三維模型;通過不同能量函數(shù)的構(gòu)造,可以實(shí)現(xiàn)如非牛頓流體,黏彈性流體,含表面活性劑的流體等復(fù)雜流體進(jìn)行模擬,因此作為全新的兩相流模擬方法受到越來越廣泛的關(guān)注,在油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)中對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用與拓展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。作為基礎(chǔ)性的研究工作,本文從擴(kuò)散界面相場(chǎng)方法最基本的數(shù)理模型及相關(guān)物理量的定義與物理關(guān)系的推導(dǎo)出發(fā),比較了擴(kuò)散界面方法與銳利界面方法的不同;分析了作為控制方程的Cahn-Hilliard方程的具體數(shù)學(xué)表達(dá)與物理內(nèi)涵;詳盡地對(duì)兩相流等密度/變密度連續(xù)形式下與離散形式下的能量定律進(jìn)行了證明;提供了常規(guī)擴(kuò)散界面模型中相場(chǎng)方程與動(dòng)量方程的數(shù)值方法作為參考。其中能量定律是兩相流擴(kuò)散界面相場(chǎng)方法的根本,針對(duì)能量定律構(gòu)造合理高效的數(shù)值算法是進(jìn)行相關(guān)兩相流模擬的必要步驟。經(jīng)數(shù)值方法處理后離散形式下能量定律成立才能保證高效穩(wěn)定的數(shù)值求解過程,因此本論文也花了較大篇幅對(duì)相關(guān)數(shù)值算法的能量定律進(jìn)行了證明,提供了較為詳盡的數(shù)理背景資料與推導(dǎo)為后續(xù)工程研究工作的展開提供了保障。此外,本文的自主創(chuàng)造性工作包括通過矩陣與向量形式的離散表達(dá),從離散方程的協(xié)調(diào)一致性與系數(shù)矩陣信息兩方面對(duì)比了動(dòng)量方程求解方法中數(shù)學(xué)界常用的壓力修正方法與工程界常用的SIMPLE算法的不同,根據(jù)它們的算法特點(diǎn)給出了合理的解釋與分析,為后續(xù)相關(guān)兩相流算法的選取與構(gòu)造提供了可靠依據(jù);針對(duì)Cahn-Hilliard方程中四階項(xiàng)全隱處理的需要,作者基于Fortran語言特點(diǎn)實(shí)施了一種無需構(gòu)造系數(shù)矩陣來實(shí)現(xiàn)共軛梯度算法求解相場(chǎng)方程的分步、模塊化代碼編寫方法,其避免了四階項(xiàng)復(fù)雜的多點(diǎn)離散。文中給出了相關(guān)編寫思路與關(guān)鍵代碼作為參考。最后本文基于附加對(duì)流通量的變密度模型和引入中間速度的思想提出了一種新型針對(duì)大密度比問題的數(shù)值方法,并在論文的數(shù)值結(jié)果章節(jié)通過對(duì)氣泡浮升等大密度比問題的物理過程進(jìn)行模擬,驗(yàn)證了該數(shù)值方法的正確性以及健壯性,其穩(wěn)定性較改進(jìn)前的算法也有一定提高。同時(shí),文章除了單獨(dú)對(duì)Naiver-Stokes方程以及Cahn-Hilliard方程的數(shù)值求解過程進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)證與分析以外,還針對(duì)罐體油水分離中離心法,聚結(jié)法,重力法等工程方法,對(duì)應(yīng)性地研究了液滴在渦流中的運(yùn)動(dòng),在剪切流動(dòng)中的變形與破碎,液滴的融合,液滴的撞擊,液滴與氣泡的浮升與墜落等一系列過程;并從理論解析解對(duì)照,兩相流實(shí)驗(yàn)測(cè)定結(jié)果對(duì)照以及商業(yè)數(shù)值模擬軟件結(jié)果對(duì)照,特征參數(shù)對(duì)比等多個(gè)方面,多個(gè)角度來對(duì)本文自行編寫的數(shù)值模擬方法與代碼進(jìn)行驗(yàn)證分析。本文通過以上工作為多相流擴(kuò)散界面相場(chǎng)方法在油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)的推廣運(yùn)用提供了較為詳盡的理論資料參考與數(shù)值計(jì)算研究基礎(chǔ);相關(guān)模擬研究的開展驗(yàn)證了該方法在油氣儲(chǔ)運(yùn)多相流微觀現(xiàn)象研究中的可行性,該方法有利于輔助多相流實(shí)驗(yàn)研究中物理過程的預(yù)測(cè)與比對(duì)。
【圖文】：

中國石油大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文宏觀尺度上牛頓、歐拉、伯謖葉和斯托克斯等人以連續(xù)介質(zhì)假設(shè)[22]為基礎(chǔ)，定義了速度、密度、溫度、壓力等宏觀物理量，通過物質(zhì)的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒定律分析各物理量之間的相互關(guān)系來求解流場(chǎng)內(nèi)的未知參量，這也就是一般所說的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法。傳統(tǒng)的 CFD 方法可以分為有限差分方法，有限體積方法，有限元方法等等。宏觀 CFD 方法的理論體系最為可靠，相關(guān)數(shù)值模擬方法適用范圍最廣，是數(shù)值模擬方法中最經(jīng)典，最成熟的方法。（2）不同的界面描述方式根據(jù)多相流問題中兩相界面的處理方法的不同，具體可分為界面捕獲與界面追蹤兩類，一般較為常用的都是界面捕獲方法。界面捕獲方法中按照界面的形態(tài)又可以具體進(jìn)行區(qū)分為明銳界面法（Sharp Interface）與擴(kuò)散界面（Diffuse Interface）方法。

國內(nèi)學(xué)者孫東亮創(chuàng)立兩種方法的結(jié)合如 VOSET 方法。體積分?jǐn)?shù)法分?jǐn)?shù)方法(VOF)由學(xué)者 Hirt 和 Nichols 于 1981 年開創(chuàng)性地提出；劃分目標(biāo)流體與非目流體，定義某控制體內(nèi)目標(biāo)流體的體積函數(shù)體體積函數(shù) C 即一個(gè)控制體單元內(nèi)目標(biāo)流體體積的體積分?jǐn)?shù)。元=單元內(nèi)目標(biāo)流體體積/單元的體積該控制體單元內(nèi)只有包含目標(biāo)流體，那么 C=1；如果該單元內(nèi)只，那么 C=0；如果 C 介于 0 到 1 之間，則說明該控制體單元內(nèi)同，因此界面也相應(yīng)出現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)。已知某時(shí)刻下目標(biāo)流體體積算空間上的分布情況，就可以確定兩相界面的位置及形狀。一系列學(xué)者又針對(duì)于單個(gè)網(wǎng)格內(nèi)部如何利用界面斜率等幾何參數(shù)的關(guān)系更好對(duì)界面進(jìn)行近似這一問題，提出了 FLAIR 方法，PLIC IC 方法在這些方法中較為先進(jìn)，，是如今商業(yè)軟件 Fluent 采用的界
【學(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE97

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本文編號(hào)：2641680