多相流存在于很多工業(yè)過(guò)程中，特別是石油工業(yè)，石油、天然氣和水經(jīng)常一起生產(chǎn)、運(yùn)輸。另外，當(dāng)有外部熱源，相間的熱交換或由于壓降而產(chǎn)生的閃蒸現(xiàn)象時(shí)，各相的相對(duì)體積分?jǐn)?shù)可沿管道變化。某些情況下，這些流體動(dòng)力學(xué)特征是不希望發(fā)生的，尤其是在烴類運(yùn)輸系統(tǒng)中，例如團(tuán)狀流可能對(duì)某些操作組件有害。這種多相流也存在于進(jìn)出儲(chǔ)層的油氣管道中。此外，管道中多相流的復(fù)雜性隨氣體管道中固體顆粒（包括沙子、黑粉）的存在而增加。碳鋼制成的石油和天然氣管道中經(jīng)常發(fā)生顆粒誘發(fā)的腐蝕，腐蝕后需要拆除受影響的管段，從而導(dǎo)致額外成本和生產(chǎn)中斷。對(duì)于這些現(xiàn)象，需要高保真的CFD預(yù)測(cè)方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)為安全防范系統(tǒng)做準(zhǔn)備。?

多孔介質(zhì)中的多相流動(dòng)

在CCS或EOR技術(shù)中，多孔介質(zhì)流動(dòng)通常涉及多個(gè)液相或氣相，如：向油藏中注入水、蒸汽或二氧化碳可以提高石油的采收率。從實(shí)際角度來(lái)看，計(jì)算預(yù)測(cè)工具在選擇合適的CCS地點(diǎn)、估算二氧化碳儲(chǔ)存潛力、量化被捕獲流體的數(shù)量方面是至關(guān)重要的。

積鼎VirtuaFlow有效精確的數(shù)值方法可以處理非線性現(xiàn)象，如相界面的傳播及溶解。此外，可以對(duì)液體彎液面的演化過(guò)程、二氧化碳溶解到鹽水相以及重力指進(jìn)進(jìn)行計(jì)算，可以實(shí)現(xiàn)在孔隙尺度上進(jìn)行仿真。

VirtualFlow使用level-set界面跟蹤方法進(jìn)行仿真，以捕獲指進(jìn)不穩(wěn)定性。圖1展示了VirtualFlow軟件計(jì)算得到的二維重力指進(jìn)的不穩(wěn)定性，兩種不同密度的液體在重力作用下通過(guò)一列柱體流動(dòng)。紅色的濃稠液體以手指形滲入較輕的藍(lán)色相。大量的較輕液體殘留在圓筒陣列內(nèi)，限制了回收過(guò)程的有效性。

液化天然氣罐內(nèi)的分層現(xiàn)象

儲(chǔ)罐內(nèi)的液化天然氣(LNG)通常因不同密度引起液體分層。而LNG分層可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐翻覆和罐內(nèi)壓力急劇上升等問(wèn)題，這會(huì)對(duì)LNG安全灌裝作業(yè)造成危害，甚至破壞流動(dòng)保障。為了防止出現(xiàn)LNG罐內(nèi)的天然氣泄漏導(dǎo)致的氣體蒸發(fā)排放、燃料流量波動(dòng)和組分變化等現(xiàn)象，LNG站需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)。

液化天然氣儲(chǔ)罐有兩種類型的常用加注噴嘴，分別應(yīng)用在儲(chǔ)罐頂部和底部。加氣點(diǎn)的選擇由待罐裝液化天然氣密度與罐內(nèi)（或根部）液化天然氣密度相比的大小決定。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于輕質(zhì)天然氣采用底部填充的方式，而重型液化天然氣采用頂部填充的方式。分層過(guò)程會(huì)受到噴嘴、初始密度差、跟部的深度和填充速度的影響。

注入處可以觀察到大尺度的流體運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，而根據(jù)初始溫差和注入速率的不同，該運(yùn)動(dòng)尺度可達(dá)容器尺度的一半。這些活躍的流體現(xiàn)象往往發(fā)生在混合劇烈的階段，并推遲罐體液體分層現(xiàn)象的穩(wěn)定時(shí)間。如圖2所示，從VirtualFlow計(jì)算得到的速度場(chǎng)上可以看到這些大尺度運(yùn)動(dòng)。該流體運(yùn)動(dòng)有效地混合了不同密度的液化天然氣，避免儲(chǔ)罐內(nèi)出現(xiàn)分層。

氣舉

在氣舉技術(shù)中，通常會(huì)在水和油流通的生產(chǎn)管道底部注入氣體，以降低井內(nèi)的重力壓降，從而提高管道內(nèi)的油流量。實(shí)際生產(chǎn)中，氣體是通過(guò)管壁上的閥門(mén)注入的，容易在管道內(nèi)產(chǎn)生大氣泡。而有關(guān)水和空氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，注入小氣泡可以提高氣舉效率。因?yàn)樾馀莸纳仙俣容^低，管中停留時(shí)間長(zhǎng)，因此流體空隙率高，并且小氣泡均勻地分布在管道的截面增加了氣體空隙率，小延緩了氣泡流向段塞流的轉(zhuǎn)變，重力壓降減少。因此產(chǎn)生大氣泡對(duì)氣舉來(lái)說(shuō)，是一個(gè)不利條件。

采用VirtualFlow軟件對(duì)垂直立管底部的注入氣泡（不考慮石油）進(jìn)行模擬。氣體以不同的流速?gòu)牡撞孔⑷?如圖3所示)，然后根據(jù)氣體在噴嘴處不同的表面速度值計(jì)算壓降。

圖3所示的不同氣體流量的結(jié)果表明，該模型能夠預(yù)測(cè)不同大小的氣泡在管道中以不同的速度、沿著特殊之字形路徑上升。從圖4可以看到CFD預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一致的——即使注入相對(duì)少量的氣體，也會(huì)顯著降低立管內(nèi)的壓降。

垂直管道中的多相流

管道中的氣液流動(dòng)在石油分離和運(yùn)輸中具有重要意義。氣液混合物（油，固體顆粒，水合物，蠟，冷凝水和/或水的輕和重組分）會(huì)在各種流型（例如氣泡，團(tuán)狀，環(huán)形，薄霧）下產(chǎn)生并隨流體輸運(yùn)（圖5）。另外，相含率會(huì)由于加熱、相間熱交換或由于減壓而產(chǎn)生的閃蒸等沿著管道變化。在垂直管道流中（例如立管），流態(tài)識(shí)別（多達(dá)三個(gè)主相，當(dāng)存在沙子和水合物時(shí)，相會(huì)更多）對(duì)于成功鉆井和生產(chǎn)至關(guān)重要。管道中的多相流建模的主要任務(wù)是確定流態(tài)圖。

目前對(duì)管道多相流和傳熱的預(yù)測(cè)工具都是基于雙流體六方程模型，需要求解各相的守恒方程。在石油和天然氣行業(yè)，這個(gè)模型被簡(jiǎn)化為一維，通常被稱為“機(jī)械模型”。為了封閉機(jī)械模型方程，需要考慮流動(dòng)特性如局部速度、壁面剪切應(yīng)力、液體滯留量等的關(guān)系。這些關(guān)系在封閉模型中具有很大的不確定性，通常是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑶一谶^(guò)度簡(jiǎn)化的假設(shè)。

3D段塞流模擬

采用VirtualFlow軟件對(duì)段塞流進(jìn)行三維仿真，該計(jì)算在128個(gè)處理器的高性能計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。流型變化會(huì)影響時(shí)間步長(zhǎng)，如當(dāng)出現(xiàn)小氣泡時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)會(huì)減小至0.00001秒。

圖6清楚地表明，采用VirtualFlow軟件進(jìn)可以得到實(shí)際中可能出現(xiàn)的流動(dòng)圖像?？梢钥吹?，不同大小和伸長(zhǎng)的段塞自然形成而彼此沒(méi)有碰撞，它們占據(jù)整個(gè)管道并向上移動(dòng)。大量的氣泡也在尾流中產(chǎn)生，聚集在泰勒氣泡之間的區(qū)域。

3D環(huán)狀流模擬結(jié)果

對(duì)于環(huán)形流態(tài)，管道尺寸減小為3cm×100cm。計(jì)算域網(wǎng)格有80萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)，模擬計(jì)算需要使用超算的128核。采用VirtualFlow軟件得到的環(huán)狀流模擬結(jié)果如圖7，展示了由密度等值線刻畫(huà)的兩相流動(dòng)界面和橫流速度矢量圖。

在不同的截面上，水膜厚度的變化如圖8所示。

圖8顯示了管道的三個(gè)橫流位置，表現(xiàn)出了液膜變形的特征。值得注意的是，這些流動(dòng)具有一定的徑向一致性。