【摘要】：兩相流廣泛存在于油氣儲運領域各個方面,包括油氣田集輸管道,油氣水分離設備及儲罐等。多相流動過程在油氣儲運中有利有弊,例如多相混輸技術與油氣水分離技術,它們分別對應利弊兩方面�？偟膩碚f,無論是利用多相流還是防止多相流,都需要通過對其物理機理研究來加深對多相流本質規(guī)律的理解。本文針對油氣儲運領域罐體兩相中常見的液滴與氣泡運動過程,基于擴散界面相場方法,從“微觀小尺度”角度出發(fā)對該物理過程進行直接數(shù)值模擬研究,屬于多相流研究中基礎性,理論性的研究工作�；谀芰慷傻臄U散界面相場方法有別于傳統(tǒng)銳利界面方法,該方法在數(shù)值模擬過程中無需對界面進行重構,易于從二維模型推廣到三維模型;通過不同能量函數(shù)的構造,可以實現(xiàn)如非牛頓流體,黏彈性流體,含表面活性劑的流體等復雜流體進行模擬,因此作為全新的兩相流模擬方法受到越來越廣泛的關注,在油氣儲運行業(yè)中對其進行應用與拓展具有一定的現(xiàn)實意義。作為基礎性的研究工作,本文從擴散界面相場方法最基本的數(shù)理模型及相關物理量的定義與物理關系的推導出發(fā),比較了擴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)學表達與物理內涵;詳盡地對兩相流等密度/變密度連續(xù)形式下與離散形式下的能量定律進行了證明;提供了常規(guī)擴散界面模型中相場方程與動量方程的數(shù)值方法作為參考。其中能量定律是兩相流擴散界面相場方法的根本,針對能量定律構造合理高效的數(shù)值算法是進行相關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相關數(shù)值算法的能量定律進行了證明,提供了較為詳盡的數(shù)理背景資料與推導為后續(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,從離散方程的協(xié)調一致性與系數(shù)矩陣信息兩方面對比了動量方程求解方法中數(shù)學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)它們的算法特點給出了合理的解釋與分析,為后續(xù)相關兩相流算法的選取與構造提供了可靠依據(jù);針對Cahn-Hilliard方程中四階項全隱處理的需要,作者基于Fortran語言特點實施了一種無需構造系數(shù)矩陣來實現(xiàn)共軛梯度算法求解相場方程的分步、模塊化代碼編寫方法,其避免了四階項復雜的多點離散。文中給出了相關編寫思路與關鍵代碼作為參考。最后本文基于附加對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大密度比問題的數(shù)值方法,并在論文的數(shù)值結果章節(jié)通過對氣泡浮升等大密度比問題的物理過程進行模擬,驗證了該數(shù)值方法的正確性以及健壯性,其穩(wěn)定性較改進前的算法也有一定提高。同時,文章除了單獨對Naiver-Stokes方程以及Cahn-Hilliard方程的數(shù)值求解過程進行單獨驗證與分析以外,還針對罐體油水分離中離心法,聚結法,重力法等工程方法,對應性地研究了液滴在渦流中的運動,在剪切流動中的變形與破碎,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;并從理論解析解對照,兩相流實驗測定結果對照以及商業(yè)數(shù)值模擬軟件結果對照,特征參數(shù)對比等多個方面,多個角度來對本文自行編寫的數(shù)值模擬方法與代碼進行驗證分析。本文通過以上工作為多相流擴散界面相場方法在油氣儲運行業(yè)的推廣運用提供了較為詳盡的理論資料參考與數(shù)值計算研究基礎;相關模擬研究的開展驗證了該方法在油氣儲運多相流微觀現(xiàn)象研究中的可行性,該方法有利于輔助多相流實驗研究中物理過程的預測與比對。
【圖文】：

中國石油大學（北京）碩士學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)介質假設[22]為基礎，定義了速度、密度、溫度、壓力等宏觀物理量，通過物質的質量守恒、動量守恒和能量守恒定律分析各物理量之間的相互關系來求解流場內的未知參量，這也就是一般所說的計算流體力學（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)又可以具體進行區(qū)分為明銳界面法（Sharp Interface）與擴散界面（Diffuse Interface）方法。

國內學者孫東亮創(chuàng)立兩種方法的結合如 VOSET 方法。體積分數(shù)法分數(shù)方法(VOF)由學者 Hirt 和 Nichols 于 1981 年開創(chuàng)性地提出；劃分目標流體與非目流體，定義某控制體內目標流體的體積函數(shù)體體積函數(shù) C 即一個控制體單元內目標流體體積的體積分數(shù)。元=單元內目標流體體積/單元的體積該控制體單元內只有包含目標流體，那么 C=1；如果該單元內只，那么 C=0；如果 C 介于 0 到 1 之間，則說明該控制體單元內同，因此界面也相應出現(xiàn)在該區(qū)域內。已知某時刻下目標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。一系列學者又針對于單個網(wǎng)格內部如何利用界面斜率等幾何參數(shù)的關系更好對界面進行近似這一問題，提出了 FLAIR 方法，PLIC IC 方法在這些方法中較為先進，，是如今商業(yè)軟件 Fluent 采用的界
【學位授予單位】：中國石油大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TE97

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本文編號：2641680