基于PHOENICS与PIV的幂律流体环空流数值模拟.pdfVIP

大 庆 石 油 学 院 学 报 第32卷 第 6期 2008年 l2月 JOURNAIOFDAQIN(PETROlEUM INSTI／’UTE Vo1．32 No．6 Dec． 2008 基于 PHOENICS与 PIV的幂律流体 环空流数值模拟 韩洪升，姚洪英，邢 均，付金辉，孟玲莉 (大庆石油学院 提高油气采收率教育部重点实验室 ，黑龙江 大庆 163318) 摘 要 ：为应用 PHOENICS数值模拟环空管道内其它流体情况提供借鉴 ，利用PHOENICS建立幂律流体环空流动 的数值模型．将同心环空幂律流体轴 向速度数值模拟结果与二维 PlV实验结果对比．模拟结果表明：在同心环空管道 中 当内管静止时，紊流核心区即轴 向速度最大值区域靠近内管壁 ；当内管旋转时，紊流核心区即轴向速度最大值区域靠近 外管壁；靠近 内管壁处的切向速度最大 ．且随着内管转速的增加切 向速度增大．验证 了应用 PHOENICS及 PIV技术研 究非牛顿流体环窄流的叮行性 ，最大相对平均误差为5．925 ．数值模拟与实验结果吻合 良好． 关 键 词 ：PIV技术 ；PH()ENICS；幂律流体 ；环空流动 ；速度分布 ；数值模拟 中图分类号 ：TE2,19 文献标识码 ：A 文章编号 ：1000—1891(2008)06—0046一O4 幂律流体在同心环形空间中的螺旋流流动现象在钻井过程中极为普遍．钻井液在环空中的流动有时 为层流，有时为紊流．紊流是流体黏性运动中最复杂的形式 ，而对幂律流体环空流紊流流动规律的研究却 很少．目前采用先进 的可视化仪器 PlV_1-21可对环空管道 中复杂流体 的流动规律做更深入 的了解． PHOENIC 是 目前世界上最流行的计算流体力学的软件之一，可为石油工业矿场设计 ，尤其是油气集 输与水平井钻井工程与开发提供水力设计．笔者在幂律流体 同心环空螺旋流紊流 PIV实验基础上，应用 PH()ENICs流体计算软件对紊流螺旋流流场进行了数值模拟计算 ，为应用 PH()ENICs数值模拟环空管 道 内的其他流体流场情况提供借鉴． 1 PIV 原理 PIV是一种瞬态流场测量技术 ，其基本原理是在流场中散播一些适 当的示踪粒子，用脉冲激光片光 (I．ightsheet)照射所测流场的切面区域 ，通过成像记录系统摄取 2次或多次曝光的粒子图像 ，形成 PIV 实验图像，再利用图像互相关方法分析 PIV 图像 ，获得流场一个切面内定量的速度分布．进一步处理可 得到流场涡量、流线 以及等速线等流场特性参数分布，即 — ’ lim ：lim譬 ， (1) r— t2一 f1 j… △f 式中： 为粒子的速度 (矢量)；z为位移；t为时间． 由式 (1)可知 ．测速的原理基于基本流体速度测量 ，要在已知的时间间隔 △f内，跟随流体运动 由脉冲 激光器发出的示踪粒子 ，经过透镜组作用的片光照射将粒子的瞬间位置记录在 CCD芯片上，只要得出 f 和 t：两个时刻同一颗粒微团的位移变化 ，从记录所得的冈像 中，根据式(1)，就可获得该粒子速度的大小 和方 向． 2 PIV环空管道系统 聚丙烯酰胺溶液作为流体 ，采用管道竖直放置．同时，为与生产实际接近分别采用 200，400，600，800 收稿 日期 ：2008—07—23；审稿 人：邹龙庆 ；编辑 ：关开澄 作者简介：韩洪升f】950一)．男 ．教授 ，主要从事复杂流体流动及 PIV测量技术方面的研究 ·46 · 第 6期 韩洪升等：基于 PHOENICS与PIV的幂俸流体环空流数值模拟 mg／L聚合物溶液，配置该溶液熟化 8h以上． 环空段管道与地面垂直 ，管长 11．4m，贯穿 1～4 楼，内管外径为 0．021TI，外管 内径为 0．07m，外径为 0．091TI．为保证旋转时内管 的抗扭强度，内管