计算流体力学在石油工业中的应用.ppt

（一）理论流体力学 理论分析是根据流体运动的普遍规律如质量守恒、动量守恒、能量守恒等，利用数学分析的手段，研究流体的运动，解释已知的现象，预测可能发生的结果。理论分析的步骤大致如下： 首先是建立“力学模型”，即针对实际流体的力学问题，分析其中的各种矛盾并抓住主要方面，对问题进行简化而建立反映问题本质的“力学模型”。流体力学中最常用的基本模型有：连续介质、牛顿流体、不可压缩流体、理想流体、平面流动等。 其次是针对流体运动的特点，用数学语言将质量守恒、动量守恒、能量守恒等定律表达出来，从而得到连续性方程、动量方程和能量方程。此外，还要加上某些联系流动参量的关系式(例如状态方程)，或者其他方程。建立流体力学基本方程组。 求解方程组，解释所得到解的物理含义和流动机理。通常还要将这些理论结果同实验结果进行比较，以确定所得解的准确程度和力学模型的适用范围。 （二）实验流体力学 实验流体力学 （experimental fluidmechanics ）:主要用实验方法研究自然界或各类工程领域中的流体流动现象和规律以及流体与固体之间的相互作用的流体力学分支。 实验方法包括现场观测及实验室模拟两大类。前者是对实际存在的流动现象进行系统观测，以便分析流动规律，预测流动现象的演变，如气象、水文、潮汐研究等。但实际流动往往不易控制，无法重复，且流动尺度大，实验成本比较高。实验室模拟可控制实验条件，现象可以重演，产生的流动具有典型性，有利于揭示复杂流动的本质和规律，成为主要的实验手段。 两相管流 粒子图像速度场仪（Particle image velocimetry） PIV（粒子成像测速）全名：Particle Image Velocimetry,又称粒子图像测速法，是七十年代末发展起来的一种瞬态、多点、无接触式的流体力学测速方法。近几十年来得到了不断完善与发展，PIV技术的特点是超出了单点测速技术（如LDV）的局限性，能在同一瞬态记录下大量空间点上的速度分布信息，并可提供丰富的流场空间结构以及流动特性。PIV技术除向流场散布示踪粒子外，所有测量装置并不介入流场。另外PIV技术具有较高的测量精度。由于PIV技术的上述优点，已成为当今流体力学测量研究中的热门课题，因而日益得到重视。 目前PIV测速方法有多种分类，无论何种形式的PIV，其速度测量都依赖于散布在流场中的示踪粒子，PIV法测速都是通过测量示踪粒子在已知很短时间间隔内的位移来间接地测量流场的瞬态速度分布。若示踪粒子有足够高的流动跟随性，示踪粒子的运动就能够真实地反映流场的运动状态。因此示踪粒子在PIV测速法中非常重要。 在PIV测速技术中，高质量的示踪粒子要求为：（1）比重要尽可能与实验流体相一致；（2）足够小的尺度；（3）形状要尽可能圆且大小分布尽可能均匀；（4）有足够高的光散射效率。通常在水动力学测量中大都采用固体示踪粒子，如聚苯乙烯及尼龙颗粒、铝粉、荧光粒子等，国外已有公司专门为PIV测量研制出了在流体中接近上述要求的高质量固体粒子，但目前这种粒子价钱非常昂贵。 PIV系统示意图 PIV粒子图像测速系统 软件平台 系统硬件控制 图像分析、显示软件平台 时序同步控制器 （三）计算流体力学 数学的发展，计算机的不断进步，以及流体力学各种计算方法的发明，使许多原来无法用理论分析求解的复杂流体力学问题有了求得数值解的可能性，这又促进了流体力学计算方法的发展，并形成了计算流体力学CFD（ Computational Fluid Dynamics）。 计算流体力学：在计算机应用的基础上，采用各种离散化方法（有限差分法、有限元法等），建立各种数值模型，通过计算机进行数值计算和数值实验，得到在时间和空间上许多数字组成的集合体，最终获得定量描述流场的数值解。 计算流体力学已成为当今流体力学发展中最重要的一个分支的计算流体力学软件 计算流体力学是应用计算机和流体力学的知识对流体在特定条件下的流动特性进行模拟，用数值计算方法求解流动控制方程以发现各种流动现象规律的科学。 市场上主流的CFD商用软件包括：FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、NUMECA（FINE）等。发展到今天，已经大约有50余种用于流动计算和传热计算的软件，虽然各种软件各有不同，但CFD软件结构基本上是一致的。 其中前处理器、求解器、后处理器三大模块的功能如下： 前处理器：用于创建几何模型和自动的生成网格； 求解器：建立CFD方法中的模型控制方程（N-S方程，湍流模型）、对模型进行离散化处理、选择数值方法（SIMPLE系列、MAC系列）、相关参数的输入（如初始条件、边界条件、松弛因子、物性参数等）； 后处理器：给出计算后的可视化结果，包括速度场分布、温度场分布、压力场分布、浓度场分布及其它参