CFD流体仿真技术在石油石化领域的应用及实践（上篇）

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

示例输出

• 预测设备的冲蚀速率

• 判定旋风分离器/三相分离器分析效率

• 了解设备的疲劳寿命和不同的失效模式，从而提出改进方式

• 海浪飓风的影响

应用案例

钻井及井下平台

钻井和生产

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

Ansys针对水力压裂支持剂的输运提供独一无二的解决方案

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

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

示例输出

• 预测失效来源：潜在的泄露、屈曲，凝结和冲蚀

• 确保储罐的正确设计

• 制定可靠性相关问题策略

应用案例

管路运输

Ansys为管路中的流动保障提高了全面系统的解决方案

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

流量保证-段塞流动画

三维瞬态多相

跨接管道

Ansys跨接管道模拟

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

针对沙/颗粒输运造成的冲蚀，Ansys提供的独特的解决方案

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

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