计算流体动力学在海洋石油行业的应用

摘要：本文综述了计算流体力学的发展情况、基本思想和工作步骤，介绍了常用的商用CFD软件和CFD技术在海洋石油行业中的一些应用。

关键词：计算流体；海洋石油

计算流体动力学（简称CFD）是继传统实验研究和理论研究之后的一种研究流体及传热的方法，是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科。通过计算机数值计算和图像显示的方法，在时间和空间上定量描述流场的数值解，从而达到对物理问题研究的目的。它遵从传统的物理定律，可以考虑各种反应过程和多维多相体系的存在。应用计算流体力学的方法可以代替许多实验室研究和实物研究，而且可以完成实验室和实物研究中无法观测到得现象、机理和过程。在现代的各种工程领域，如石油、化工、冶金、环境、航空、气象、生物工程等几乎所有行业和生产部门，都在应用计算流体力学技术完成研发、开发、设计和生产控制等各个环节的任务。

随着计算机技术的发展，CFD模拟仿真的精度和速度大幅度的提高，对石油化工过程和现象进行数值模拟和分析，开始逐渐成为设计、研究的重要手段。许多经过验证的数学模型和CFD软件，可以十分详细和逼真地描述出石油化工的过程和现象，可以定量地给出实际运行参数和做出评估，为设计和生产控制提供依据。

1、计算流体动力学的基本原理

计算流体动力学可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟。通过这种模拟计算，可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量（如速度、压力、温度、浓度等）的分别，以及这些物理量隨时间变化的情况。

计算流体动力学的基本思想可以归结为：把原来在时间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

2、计算流体动力学的工作步骤

运用CFD技术进行流体流动的数值模拟，一般遵循以下几个步骤：

2.1 建立所研究问题的物理模型，在将其抽象成为数学、力学模型。之后确定要分析的几何体的空间影响区域。

2.2 建立整个几何形体与其空间影响区域，即计算区域的CAD模型，将几何体的外表面和整个的计算区域进行空间网格划分。网格的稀疏以及网格单元的形状都会对以后的计算产生很大的影响。不同的算法格式为保证计算的稳定性和计算效率，一般对网格的要求也不一样。

2.3 加入求解所需要的初始条件，入口与出口处的边界条件一般为速度、压力条件。

2.4 选择适当的算法，寻求高效率、高准确度的计算方法，设定具体的控制求解过程和精度的一些条件，对所需分析的问题进行求解，并且保存数据文件结果。

2.5 选择合适的后处理器（Post Processor）读取计算结果文件，分析并且显示出来。

3、常用的CFD商用软件

为了完成CFD计算，完成对流动、多组分扩散、燃烧等的计算机数值模拟可以通过使用CFD商业软件或者自编计算机程序。自编计算机程序需要掌握计算机语言、数学和专业等多方面的知识，将要花费大量的时间和精力。而使用经过验证的CFD商业软件，可使使用者将精力集中在专业问题层面，从而节省大量的时间和精力。目前世界上有几十种CFD商业软件，最常用也最具权威性的有FLUENT、CFX、STAR-CD、PHOENICS等。

4、CFD技术在海洋石油领域中的应用

目前，CFD技术在海洋石油行业主要的应用领域包括：

4.1 可燃气体泄漏模拟

采用CFD方法可以对高压管道内的天然气泄漏和扩散过程进行了数值模拟。

4.2 火灾爆炸模拟分析

利用CFD方法对有风情况池火灾热辐射下的最小安全距离进行了研究。

利用CFD方法定量研究障碍物、障碍物阻塞比对开敞空间可燃气云爆炸超压场的影响以及爆燃超压随测点距离变化的分布规律。

4.3 机械设备优化设计

利用CFD手段对钻井液混合器中的喷嘴及混合腔内部的流畅进行了数值模拟，通过计算结果对喷嘴的结构进行了优化设计。

应用计算流体动力学理论对新型油水分离器进行了流道内流场仿真计算，进一步验证了其油水分离性能，并研究了该装置的螺旋流道圈数、采出液含油体积百分数与分离性能之间的关系。

4.4 结构分析

利用CFD和有限元耦合的方法对波浪和海流对立管的涡激振动现象进行了模拟分析。

4.5 冲刷腐蚀分析

利用CFD方法对滩海石油平台桩基冲刷问题进行了模拟分析。

利用CFD方法研究了流速对天然气输气管道腐蚀的影响规律。

4.6 多项流分析

通过应用CFD 来分析油、水和气三相分离器设计中存在的问题，优化设计，最终能够最大限度地降低分离器受海浪运动的影响, 从而大大地缩短从水和气中分离原油所需的时间。

4.7 通风效果分析

采用计算流体力学（CFD），针对井口槽在不同通风模式下可燃气体扩散状态进行模拟计算，基于计算结果的比较，得出较优的机械通风模式，指导井口槽通风设计和通风控制。

5、CFD在海洋石油安全评估项目中的应用

通过CFD模拟计算可以对可能发生的危险进行定量的评估分析，对事故的预防、控制以及应急、逃生方面均具有较高的指导意义，避免因盲目施救或逃生不当造成更大的伤亡和损失。

在埕海油田关家堡开发区安全预评价项目中，利用CFD方法对井口槽及挡浪墙通风效果进行了计算分析。通过对井口槽的流场模拟分析，比较了在相同的换气次数下，不同通风形式下的通风效果的优劣，最终得出了设计采用的通风形式能够得到最佳的通风效果，即一侧送风、一侧排风的通风形式。

通过对挡浪墙内侧通风模拟分析，对挡浪墙上是否设置通风口进行了分析比较，发现设置通风口对于岛体上可燃气体扩散促进作用不大，因此挡浪墙上开设通风口的效果不明显，而且通风口增加滩海陆岸石油设施进水的可能，建议不设通风口而将井口区至防浪墙之间的空间危险等级提升至1级。

6、总结

计算流体动力学在海洋石油行业中的应用目前还处于初级阶段，但已经起到了相当大的作用，通过CFD模拟研究为设计优化、分析研究、安全管理等提供了可靠的技术支持。

由于受到计算机硬件条件的限制，目前CFD还无法做到对系统的实时优化控制，但随着计算机能力的提高，CFD算法技术的改进，前后处理能力的加强，CFD对负责问题的在线实时仿真模拟将成为可能。

参考文献：

[1]董刚, 唐维维, 等. 高压管道天然气泄漏扩散过程的数值模拟. 中国安全生产科学技术, 2009, 5(6): 11～15.

[2] 李丽霞. 有风情况池火灾热辐射下的最小安全距离. 安全与环境学报, 2006, 6: 113～117.

[3] 刘欢, 李义娟, 安海静, 李荷莲. 滩浅海人工岛集约型井口槽通风安全模式分析. 中国海洋平台, 2009, 24(3): 42～46.

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