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1、石油石化行业工程仿真研讨会 油气设备报告 俞斌跟俞斌跟俞斌跟俞斌跟 流体业务部 安世亚太科技（北京）有限公司 流体业务部 安世亚太科技（北京）有限公司 2010 PERA Global 概述 ? 石化油气设备的流体仿真需求 ? 涉及的物理问题及仿真分析模型 ? 应用案例介绍 2010 PERA Global 概述 ? 石化油气设备的流体仿真需求 ? 涉及的物理问题及仿真分析模型 ? 应用案例介绍 2010 PERA Global 石油化工油气设备仿真需求 ? 输油/气管道泄漏着火与控制问题 ? 海洋钻井平台（钻探、抽油泵、分离、管 系） ? 原油储运（分离设备、多相混输磨损、 泵) ? 天然气
2、储运 (分离器,过滤器、压缩机、阀 门、伴热设计) ? 海上输油管水下的动力特征 ? 原油加热设备 ? 塔器设备 ? 火灾危险区域安全分析 2010 PERA Global 概述 ? 石化油气设备的流体仿真需求 ? 涉及的物理问题及仿真分析模型 ? 应用案例介绍 2010 PERA Global 涉及的物理问题 ? 多相流动输运 ? 多相流动磨蚀? 多相流动磨蚀 ? 多相流动分离 ? 相变 ? 共轭传热 ? 其他 管道设备流致振动管道设备流致振动 管道泄漏、检测 应急事故模拟与风险评估 应急事故模拟与风险评估 2010 PERA Global ANSYS CFD多相流模型 ? 拉格朗日多相流
3、? DPM DDPM extended to the packing limit lidf particles ? DPM ? 欧拉多相流 ? VOF solids vof ? Mixture ? Eulerian多相流 IAC 模型 欧拉粒子流 Immiscible Fluid Model（捕捉两相接触面，explicit VOF） Dense Discrete Phase Model （DDPM模型）：拉格朗日与欧拉方法的组合 ? 附加模型 ? 人口平衡模型 2010 PERA Global ? DEM+Fluent (BETA) ANSYS CFD拉氏多相流 ? 颗粒运动方程 ? 对连续
4、相采用欧拉方法求解其NS方程，对离散相采用拉格朗日方法跟踪其轨迹，离散相 和连续相之间可以进行质量、动量、能量交换。 ? 颗粒运动方程 Fluent drag law： ? Spherical Drag Law 其他作用力： 旋转参考系 Spherical Drag Law ? Non-spherical Drag Law ? Stokes-Cunningham Drag Law ? High-Mach-Number Drag Law ?Di DM d l Th(粒子动态的变形） ? 旋转参考系centripetal and Coriolis forces ? 浮力： buoyancy for
5、ces (由于与连续相之间的密度 差异） ?Dynamic Drag Model Theory(粒子动态的变形） ? Dense gas-solid flow CFX drag law ? ? Virtual mass force (颗粒加速或减速引发的流体惯性 阻力） ?Thermophoretic Force（热泳， Small particles ） ? Ishii-Zuber ? Schiller Naumann ? Grace Drag ? Wen YU （固相） Thermophoretic Force（热泳， Small particles ） ? Brownian Force（
6、布朗运动力，亚微米粒子） ?Saffmans Lift Force（亚微米粒子） 2010 PERA Global ? Gidaspow (固相) ANSYS CFD拉氏多相流 ? 湍流耗散对颗粒运动轨迹的影响 ? 速度脉动影响混合效果，同样会对颗粒的运动轨迹产生影响。 ? 随机跟踪模型 Stochastic Tracking 直接采用脉动速度计算颗粒轨迹 ? 颗粒云跟踪模型 Particle Cloud 定义一颗粒云，采用平均速度求解颗粒云内颗粒的平均轨迹，各个颗粒的轨迹分布参考该平均 轨迹满足高斯概率密度函数分布轨迹满足高斯概率密度函数分布 ? 离散相的破碎模型 ? TlAlBk（TAB）
7、 M d l适用于低韦伯数喷射流动? Taylor Analogy Breakup （TAB） Model：适用于低韦伯数喷射流动 ? Wave Breakup Model：适用于高韦伯数喷射流动 液滴碰撞聚并模型? 液滴碰撞、聚并模型 2010 PERA Global ANSYS CFD拉氏多相流 颗粒与壁面相互作用模型? 颗粒与壁面相互作用模型 ? 颗粒磨蚀模型（标准、其他模型的UDF) ? 表面磨损率 ? 磨损加速率 2010 PERA Global ? 磨损加速率 ANSYS CFD拉氏多相流 ? DPM喷嘴模型 ? ANSYS Fluent除了提供几种简单的injection类型外，
8、还有一些内置的喷嘴子模型来帮 助用户定义流体经过喷嘴后的尺寸和速度分布。 ? Plain-Orifice Atomize Model ? Pressure-Swirl Atomizer Model ? Air-Blast Atomizer Model ? Flat-Fan Atomizer Model ? Effervescent Atomizer Model Fluent DPM喷嘴模型Fluent DPM喷嘴模型 2010 PERA Global 喷雾结构 pressure-Swirl 喷嘴 ANSYS CFD拉氏多相流 ? 相间传热与传质 ? Fluent 相间传热与传质 ? CFX相间
9、传质与传热 低于蒸发温度，仅仅传热，Law1,6 高于蒸发温度，低于沸点, law 2 高或等沸点 Simple Mass Transfer(固体中气体析出） Liquid Evaporation Model（蒸发和沸腾） 高于或等于沸点 law 3 燃烧粒子热解挥发分析出 law4 表面燃烧 law 5 Oil Evaporation/Combustion Coal Combustion 表面燃烧 law 5 多组分粒子 law7 ? 通过定义颗粒类型来激活不同的传热传质定律 2010 PERA Global ANSYS CFD拉氏多相流 Flt 13 0 DPM新功能? Fluent 13
10、.0 DPM新功能 ? Injection的质量流率与速度流率可以采用profile方式定义 ? 新增二次破碎KHRT模型 ? Discrete Element Method(DEM) 高体积分数的粒子流考虑颗粒 颗粒相间作用力高体积分数的粒子流，考虑颗粒-颗粒相间作用力 ? Extended collision stencil 考虑相邻N个网格中的颗粒来计算碰撞频率考虑相邻N个网格中的颗粒来计算碰撞频率 ? Stochastic Secondary Droplet (SSD) 采用Fokker-Plank方程计算液滴破碎后的尺寸分布 Comparison of several break-u
11、p models (incl. KHRT) with exp. data 2010 PERA Global ANSYS CFD 欧拉模型 2010 PERA Global ANSYS CFD 模拟特色-多物理场耦合 ? 刚体流固耦合分析 6DOF 6DOF ? 弹性体流固耦合分析 单向 单向 双向 ? 流体共轭传热与结构热应力分析 2010 PERA Global 概述 ? 石化油气设备的流体仿真需求 ? 涉及的物理问题及仿真分析模型 ? 应用案例介绍 2010 PERA Global 石油化工油气设备案例介绍 ? 钻头水力优化研究 ? 立管振动激励? 立管振动激励 ? 事故安全阀失效评估 ?
12、 管道磨损 ? 管道泄漏与检测 ? 原油、天然气分离设备 ? 塔器（板式塔、填料塔）塔器（板式塔、填料塔） ? 危险区域安全评估 ? 其他? 其他 管道流量测量设备 2010 PERA Global 钻井设备钻头 轮钻头 潜孔钻（压缩空气） 合钻头三牙轮PDC钻头 潜孔钻（压缩空气） 混合钻头 刀翼表面低速区基本消失刀翼表面涡流区基本消失 井底中心低速区改善 2010 PERA Global 江钻股份 海上钻井平台立管流固耦合分析 横向振动问题研究!横向振动问题研究! 瞬态工况: 不同来流速度下,立管变形与涡流形式 解决这类问题的技术: 螺旋列板(helical strakes)和 护罩(fa
13、irings) 2010 PERA Global SPAR海洋平台应用案例 2010 PERA Global 故障安全阀失效评估 究该类型阀门超出了美国石油研究所API标准与规范 2010 PERA Global 石化多相流管道系统冲蚀预测石化多相流管道系统冲蚀预测 改进前后的对比 2010 PERA Global 浙江理工大学 管道泄漏-天然气、地下原油管道 2010 PERA Global 海洋平台油/水/气分离器-经典成功案例 ? Computer simulation has helped Natco to design an oil-gas separator that is sma
14、ller than previous models by up to 50 percent. The smaller size permits a reduction in the offshore processing platform, potentially saving millions in construction and operating costs. 波浪运动模拟器Rocking Table Model 2010 PERA Global 泥沙/水/油三相分离器结构参数化性能分析 溢流深入长度变化倒锥高度变化出液孔高度变化 2010 PERA Global 溢流口深入长度变化倒
15、锥高度变化出液孔高度变化 三相分离器（原油分离设备） 名称Ct Cli St(CCS)名称：Compact Cyclonic Separator (CCS) ?结构特征： main cylindricalbody height/diameter aspect ratios ranging from 2.5 to 3.8 Inlet loacted at up part(thin rectangular)rectangular) Gas outlet at top Liquid axial exit above the bottom ?混合物特征：固体小颗粒份额占少数 ?仿真分析过程：参数化分析
16、黏度、入口 速度、各种粒径、出口压力的试验仿真速度、各种粒径、出口压力的试验仿真 对比。仅仅一个工况出现切向速度偏差 超过14% 仿真分析数据（2004年发表）?仿真分析数据（2004年发表） 67,000 elements Mixture model for gas liquid 2010 PERA Global gq DPM for solid Turbulence model：RNG 海上油田油水分离器 ? IGF技术气体附选原 理 通过底部通大量 100 to 500 microns的气泡microns的气泡 气泡会将黏附于 油滴或油包颗粒 的粒子带到表面， 加速分离 ? 具体设计技术
17、? 具体设计技术 空气携带剂：循 环清洁水泵+文丘 里管 喷射器（edctor) 形式优化 2010 PERA Global 形式优化 Figure 3. Improved gas bubble distribution provided by the (patent pending) radial eductor designed especially for column flotation service. 天然气油水分离装置 ?原料油与水蒸气（或重质烃酸蒸汽）混合气体?原料：油与水蒸气（或重质烃、酸蒸汽）混合气体 ?装置原理：利用超音速流动降压与降温达到水蒸气的凝结，在配以旋流装置得以
18、分离 ?模拟工具：为Twister BV ()公司定制CFX5.6 for non-equilibrium phase transition in multi-component real gas mixtures A homogeneous nucleation model to determine the droplet number density A growth model, to allow for the change in size of the particles, through condensation and evaporation. Droplet coalescen
19、ce models depending on droplet size, number density and turbulence intensities Slip models to predict the separation of the droplets from the continuous phase. Accounts for turbulent dispersion Aforementioned models are coupled via mass momentum and energy equationsAforementioned models are coupled
20、via mass, momentum and energy equations Energy is affected by release of latent heat during condensation/evaporation 2010 PERA Global 板式塔 塔板上各种形式的阀 筛板上的温度分布 2010 PERA Global 筛孔处的气相速度 筛板上的液相速度矢量 塔板孔板的气泡形成实验与仿真 ? the detail dynamics of bubble formation, namely in BUBBLE FORMATION: CFD SIMULATIONS AND
21、EXPERIMENTS Havlica J., Bungani R., Ruzicka M.C., Draho J. Institute of Chemical Process Fundamentals, Czech Academy of Sciences, Rozvojova 135, 16502 Prague, Czech Republic; e-mail:havlicaicpf.cas.cz investigation of the synchronous and asynchronous modes of bubbling from multiplebubbling from mult
22、iple ? considered the bubble formation both form a needle and an orifice on plate ? Fluent 6.2, with the Volume- of-Fluid (VOF) model 2010 PERA Global 这里气泡脱离壁面比实际要慢一些 填料塔结构流动分析 ? 填料塔流动压降、 传热/传质关键设备传热/传质关键设备 ? 仿真 结构复杂 结构复杂 网格处理 实验对比 2010 PERA Global 波纹板规整结构填料塔分析 SULZER MELLAPAK 250.Y. Liquid spreadin
23、gqpg gas phase distribution pressure drop holdup Modeling of Non-Stationary Two-Phase Flow in Anisotropic Porous Bodies like Structured Packings B. Mahr1 and D. Mewes2 1 Bayer Technology Services GmbH, D-51368 Leverkusen, Germany 2010 PERA Global ygy 2 Leibniz University of Hannover, Institute of M
24、ultiphase Processes Callinstrasse 36, D-30167 Hannover, Germany mewesifv.uni-hannover.de 海洋平台烟雾与疏散 海洋平台 2010 PERA Global 集散中心 subway 超声波流量仪应用 GE Sensing & Inspection Technologies 2010 PERA Global 结论 ? ANSYS CAE在油气设备研发能提供用户各种适合的工具 ? 安世亚太的技术服务? 安世亚太的技术服务 能提升用户自主创新的能力！ 2010 PERA Global 谢谢 2010 PERA Global 2010 PERA Global