CFD流体仿真技术在石油石化领域的应用及实践
CFD流体仿真技术在石油石化领域的应用及实践
CFD（计算流体动力学）流体仿真技术在石油石化领域的应用日益广泛，从钻井到生产，再到运输和存储，CFD技术为各个环节提供了强大的技术支持。本文将详细介绍CFD技术在石油石化领域的具体应用及实践案例。
钻井和生产
工程挑战
- 高度腐蚀的环境
- 钻头的穿透速度
- 快速的产品研发周期
- 恶劣的环境
Ansys能力
- 丰富的多相流模型
- 简化的分析工作流
- 流固耦合
应用案例
钻井及井下平台
稳定套管
油气生产设备：阀门，调节阀
挑战：
复杂的阀门结构
变物性多相流仿真
可压缩/不可压缩流动
低压和高压之间压降范围
Ansys解决方案：
为此类设备的设计、分析、生产和运营提供全面的解决方案
了解结构和热应力，提高可靠性和安全性
预测腐蚀点，通过设计减少其影响
设计应尽量减少空化
通过参数化和设计优化加速设计
价值：
减少维护和更换成本
加快上市时间有助于完成大宗订单
减少物理测试节约成本
减少突发故障，辅助设计模拟极端条件
水力压裂
挑战：
在合适的系统中考虑固体颗粒的沉降行为
适用于液固体系曳力/升力模型
由于冲蚀/腐蚀造成几何结构变形
Ansys解决方案：
颗粒-流体的相互作用模型
颗粒-颗粒的相互作用模型
由稀相到密相转换模型
网格变形
外力
其它影响(PSD, 形状等)
价值：
稳健的颗粒模型
稀相到密相
第三方软件耦合
能准确的预测水力压裂支撑剂的输送和沉降
固体搬运-沙子管理
Ansys–Rocky DEM耦合模拟砾石沉降
油井分析
BOP阀-井喷预防设计
BOP设计
井喷
采油
注水驱油
AOV/ROV Design水下机器人设计
海上平台设计
固定海上平台
- 挑战：
- 安装
- 地震和波浪载荷
- 运输和设备调试
- CAE解决方案：
- 梁连接点的疲劳评估
- 部件级的细节设计
- 土壤/桩的建模仿真
- 水下水流对结构的影响
- 抗震的结构设计
- 物料搬运设备的结构完整性
浮式采油系统
- 挑战和CAE解决方案：
- 动态的定位
- 结构件的疲劳
- 波浪的载荷
- 涡流的诱导运动
- 结构的完整性与稳定性
- Fluid-Structure Interaction（浮体）
运输和存储
工程挑战
- 流动保障，克服了诸如冲蚀、腐蚀、水合物和蜡的形成等
- 满足法规指南
- 预防油泄露/溢出
Ansys能力
- 采用CFD多相流建模，预测管道中的流量以及预测流动保障问题
- 预测管道和储罐的结构力学完整性
应用案例
管路运输
挑战：
准确的预测:
压降, 各种各样的流型…
气含率
设备的尺寸
管道中的冲蚀/腐蚀
分层流和雾状流动
阀门和泵的设计
Ansys解决方案：
水和沙的管理
柱塞流
水合物形成
浆料
沙/压裂用沙的输运
流型的预测
相变模拟
气蚀模拟
壁面沸腾
蒸发/冷凝
湿蒸汽
融化/凝固
传质和闪蒸
三维瞬态多相
跨接管道
挑战：
跨接管道在石油运输中至关重要
带有脉动形式的多相流
海底中流致振动 (FIV) 和涡流诱导的振动（VIV）
由于疲劳和共振造成的故障
Ansys解决方案：
CFD求解器中丰富的多相流模型
模态和结构求解器
强大的流固耦合功能
能够帮助预测 FIV, VIV, 分析疲劳和工资造成的故障
流体保证（热的影响）
冲蚀
挑战：
油气井出沙是很常见的，能引起管道冲蚀、堵塞等问题.
冲蚀问题被认为油气管道的一个重要问题
Ansys解决方案：
行业标准的冲蚀模型
颗粒的物性
流体的物性
壁面条件
多相流影响 (护盾效应)
捕捉冲蚀造成几何结构的变形
价值：
准确的预测流动系统中冲蚀损伤至关重要
更好的进行设备设计或者对预防可能出现的问题
准确的预测复杂多相流的影响
动网格精确预测颗粒冲蚀造成的管路变形
过程和油气行业常常需要用流体来输送颗粒。壁面颗粒对管路的冲蚀可以延长系统的工作寿命
静态网格无法解释冲蚀造成的流动变化，模拟的准确性由此受到损失
R19中，Fluent使用动网格自动耦合了结构变化，解释了冲蚀造成的结构变形
稠密相冲蚀（R2019）
分离器的设计
Ansys解决方案：
考虑多相流在不同分离器中的流动状况
采用群平衡模型考虑气泡聚并破碎计算粒径的分布
优化内部构件的设计和布局，包括挡板、孔和填充段，以及进口和出口的尺寸和位置
为分离器设计提供见解，包括尺寸、压降分析和整体性能
水下设备-冷却
油箱晃动
大型LNG储罐校核计算：应用
LNG储罐全三维建模与仿真分析系统中已经被应用于国内数个大型LNG全容储罐的计算校核中。
容积涵盖16万方~27万方
用于温度场、内力计算、为配筋、强度校核、规范校核提供指导成果，并进行结构优化设计，在LNG储罐的国产化过程中发挥着重要作用