罐体两相中液滴与气泡运动的直接数值模拟研究

发布时间：2020-04-26 16:30

【摘要】：两相流广泛存在于油气储运领域各个方面,包括油气田集输管道,油气水分离设备及储罐等。多相流动过程在油气储运中有利有弊,例如多相混输技术与油气水分离技术,它们分别对应利弊两方面。总的来说,无论是利用多相流还是防止多相流,都需要通过对其物理机理研究来加深对多相流本质规律的理解。本文针对油气储运领域罐体两相中常见的液滴与气泡运动过程,基于扩散界面相场方法,从“微观小尺度”角度出发对该物理过程进行直接数值模拟研究,属于多相流研究中基础性,理论性的研究工作。基于能量定律的扩散界面相场方法有别于传统锐利界面方法,该方法在数值模拟过程中无需对界面进行重构,易于从二维模型推广到三维模型;通过不同能量函数的构造,可以实现如非牛顿流体,黏弹性流体,含表面活性剂的流体等复杂流体进行模拟,因此作为全新的两相流模拟方法受到越来越广泛的关注,在油气储运行业中对其进行应用与拓展具有一定的现实意义。作为基础性的研究工作,本文从扩散界面相场方法最基本的数理模型及相关物理量的定义与物理关系的推导出发,比较了扩散界面方法与锐利界面方法的不同;分析了作为控制方程的Cahn-Hilliard方程的具体数学表达与物理内涵;详尽地对两相流等密度/变密度连续形式下与离散形式下的能量定律进行了证明;提供了常规扩散界面模型中相场方程与动量方程的数值方法作为参考。其中能量定律是两相流扩散界面相场方法的根本,针对能量定律构造合理高效的数值算法是进行相关两相流模拟的必要步骤。经数值方法处理后离散形式下能量定律成立才能保证高效稳定的数值求解过程,因此本论文也花了较大篇幅对相关数值算法的能量定律进行了证明,提供了较为详尽的数理背景资料与推导为后续工程研究工作的展开提供了保障。此外,本文的自主创造性工作包括通过矩阵与向量形式的离散表达,从离散方程的协调一致性与系数矩阵信息两方面对比了动量方程求解方法中数学界常用的压力修正方法与工程界常用的SIMPLE算法的不同,根据它们的算法特点给出了合理的解释与分析,为后续相关两相流算法的选取与构造提供了可靠依据;针对Cahn-Hilliard方程中四阶项全隐处理的需要,作者基于Fortran语言特点实施了一种无需构造系数矩阵来实现共轭梯度算法求解相场方程的分步、模块化代码编写方法,其避免了四阶项复杂的多点离散。文中给出了相关编写思路与关键代码作为参考。最后本文基于附加对流通量的变密度模型和引入中间速度的思想提出了一种新型针对大密度比问题的数值方法,并在论文的数值结果章节通过对气泡浮升等大密度比问题的物理过程进行模拟,验证了该数值方法的正确性以及健壮性,其稳定性较改进前的算法也有一定提高。同时,文章除了单独对Naiver-Stokes方程以及Cahn-Hilliard方程的数值求解过程进行单独验证与分析以外,还针对罐体油水分离中离心法,聚结法,重力法等工程方法,对应性地研究了液滴在涡流中的运动,在剪切流动中的变形与破碎,液滴的融合,液滴的撞击,液滴与气泡的浮升与坠落等一系列过程;并从理论解析解对照,两相流实验测定结果对照以及商业数值模拟软件结果对照,特征参数对比等多个方面,多个角度来对本文自行编写的数值模拟方法与代码进行验证分析。本文通过以上工作为多相流扩散界面相场方法在油气储运行业的推广运用提供了较为详尽的理论资料参考与数值计算研究基础;相关模拟研究的开展验证了该方法在油气储运多相流微观现象研究中的可行性,该方法有利于辅助多相流实验研究中物理过程的预测与比对。
【图文】：

示意图,扩散界面,一维空间,界面

中国石油大学（北京）硕士学位论文宏观尺度上牛顿、欧拉、伯谡叶和斯托克斯等人以连续介质假设[22]为基础，定义了速度、密度、温度、压力等宏观物理量，通过物质的质量守恒、动量守恒和能量守恒定律分析各物理量之间的相互关系来求解流场内的未知参量，这也就是一般所说的计算流体力学（CFD）方法。传统的 CFD 方法可以分为有限差分方法，有限体积方法，有限元方法等等。宏观 CFD 方法的理论体系最为可靠，相关数值模拟方法适用范围最广，是数值模拟方法中最经典，最成熟的方法。（2）不同的界面描述方式根据多相流问题中两相界面的处理方法的不同，具体可分为界面捕获与界面追踪两类，一般较为常用的都是界面捕获方法。界面捕获方法中按照界面的形态又可以具体进行区分为明锐界面法（Sharp Interface）与扩散界面（Diffuse Interface）方法。

示意图,界面,气泡,方法

国内学者孙东亮创立两种方法的结合如 VOSET 方法。体积分数法分数方法(VOF)由学者 Hirt 和 Nichols 于 1981 年开创性地提出；划分目标流体与非目流体，定义某控制体内目标流体的体积函数体体积函数 C 即一个控制体单元内目标流体体积的体积分数。元=单元内目标流体体积/单元的体积该控制体单元内只有包含目标流体，那么 C=1；如果该单元内只，那么 C=0；如果 C 介于 0 到 1 之间，则说明该控制体单元内同，因此界面也相应出现在该区域内。已知某时刻下目标流体体积算空间上的分布情况，就可以确定两相界面的位置及形状。一系列学者又针对于单个网格内部如何利用界面斜率等几何参数的关系更好对界面进行近似这一问题，提出了 FLAIR 方法，PLIC IC 方法在这些方法中较为先进，，是如今商业软件 Fluent 采用的界
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE97

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