【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及计算流体动力学，具体涉及海洋工程数值模拟领域，特别涉及一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法。
技术介绍
1、海洋油气资源分布广泛，涵盖了地球上大部分海域。据估算，全球超过90％的未开发石油和天然气资源都位于海洋中。全球海洋油气资源储量约为全球石油储量的三分之二以上，其中大部分尚未被开发。海洋油气管作为输送油气资源的重要通道，在能源供应中起着关键作用。油气管道内气液两相的流动特性和相互作用对管道的稳定性和输送效率有着重要影响。
2、计算流体动力学(computational fluid dynamics,cfd)是一种基于计算机数值模拟的方式研究流体运动的方法。它将连续的流体空间离散成网格系统，并利用数值方法离散流体动力学控制方程组生成代数方程组，通过求解代数方程组以实现流体力学问题的数值模拟。在海洋油气管流中，cfd可用于预测多相流体的流动状态、相互作用，以及量化速度、压力、密度和浓度等物理量的大小和分布。
3、在计算流体动力学领域，压力和速度解耦也是不可压缩流模拟中的一个关键难点，到目前为止，解耦求解不可压navier-stokes的算法通常可以分为两类，包括迭代方法(simple，piso等)以及非迭代法(投影法等)，但这些方法都都不可避免地面临着抑制压力振荡产生的困难。
4、海洋油气管内存在大量的气液两相界面，且两相界面时刻处于表面张力、重力和压力梯度的微妙平衡中。因此，微小的数值振荡都会影响数值模拟的准确性，特别是在长时间模拟中，微小的压力扰动可能会演变成一个源或
5、因此如何实现同位网格上的无压力振荡计算是本领域亟待解决的问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术提出一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，采用二维等距正交的笛卡尔网格对计算流域进行网格划分，划分后流场的物理参数离散地分布在每个网格的中心，通过求解流动和相界面的偏微分方程，得到物性参数在网格上的动态变化，基于物性参数的动态变化获得两相形态预测，物性参数的动态变化求解，具体包括以下步骤：
2、设置油气物性参数、设置时间步长和边界条件，初始化速度和压力的存储矩阵；
3、构造系数矩阵并进行预处理，判断当前时间步是否小于设置的时间步，若不小于则输出当前的油气形态分布；
4、否则根据施加的边界条件和速度场，利用cahn-hilliard方程进行多相流界面捕捉，即根据设置的边界条件求解cahn-hilliard方程，重构得到流场物性参数；
5、通过有限体积法和常系数投影算法离散navier-stokes方程，并对离散后的navier-stokes方程系数进行定常化，并将流场物性参数作为代入定常化后的navier-stokes方程计算得到流场速度分布和压力分布，完成形态预测。
6、进一步的，重构得到流场物性参数的过程包括：
7、
8、
9、其中，ρ为流体质点的密度；ρ1为纯气相密度；ρ2为纯液相密度；φ为相分数变量；μ为流体质点的粘度；μ1为纯气相粘度；μ2为纯液相粘度。
10、进一步的，相分数变量通过cahn-hilliard方程计算获取，cahn-hilliard方程包括：
11、
12、
13、其中，φ为相分数变量；t表示时间，时间t的偏导或者导数dt表示时间步；表示求散度；表示求右侧参数的梯度；表示流体质点的速度矢量；m为迁移率；ψ为化学势；ε表示相界面的厚度。
14、进一步的，求解cahn-hilliard方程时，相变量和化学势的边界条件均为neumann边界。
15、进一步的，通过有限体积法和常系数投影算法离散navier-stokes方程，并对离散后的navier-stokes方程系数进行定常化的过程包括：
16、在预测步，通过二阶向后差分格式，离散预测步方程中的瞬态项，并使用二阶时间外推格式进行显式处理；为了得到定常的系数矩阵，在预测步方程的左右两边同时增加一个常系数动力粘度项，并引入一个近似将系数非定常的压力梯度分解为定常和非定常两个部分，利用数值方法对预测步的偏微分方程进行离散化，得到系数矩阵定常的预测步待求解方程au＝bu和av＝bv，其中a为第一系数矩阵，表示为a＝{ap,ae,aw,an,as}，ap为中心网格的第一系数值，表示为h为笛卡尔网格的高度，v0表示流体质点的构造粘性，表示为ρ1为纯气相密度，ρ2为纯液相密度，μ1为纯气相粘度，μ2为纯液相粘度，dt为每个循环的时间步长；ae为中心网格东侧相邻的网格的第一系数值，表示为-v0dt；aw为中心网格西侧相邻的网格的第一系数值，表示为-v0dt；an为中心网格北侧相邻的网格的第一系数值，表示为-v0dt；as为中心网格南侧相邻的网格的第一系数值，表示为-v0dt；u为待求解的流场速度在水平方向的分量；v为待求解的流场速度在铅锤方向的分量；bu为当速度为水平方向的分量时系数矩阵定常的预测步待求解方程的右端项，bv为为当速度为水平方向的分量时系数矩阵定常的预测步待求解方程的右端项；
17、在校正步，对校正步方程进行二阶向后差分格式离散，在二阶时间外推格式中引入一个近似，并将其中引入不可压缩条件，然后对校正步方程两端取散度，得到压力校正步的待求解方程，即系数矩阵定常的压力泊松方程，利用数值方法对系数矩阵定常的压力泊松方程进行离散得到离散后的方程，表示为lp＝bp，其中l为第二系数矩阵，表示为l＝{lp,le,lw,ln,ls},lp为中心网格的第二系数值，表示为le为中心网格东侧相邻的网格的第二系数值，表示为lw为中心网格西侧相邻的网格的第二系数值，表示为ln为中心网格北侧相邻的网格的第二系数值，表示为ls为中心网格南侧相邻的网格的第二系数值，表示为p为待求解的流场压力分布；bp表示为u*为求解得到的流场速度在水平方向的分量，v*为求解得到的流场速度在铅锤方向的分量，表示对水平方向求差分，表示对铅锤方向求差分。
18、进一步的，求解得到流场速度分布u之后，对速度进行修正，修正过程包括：
19、
20、其中，为预测步方程得到的中心网格的水平速度分量；为预测步方程得到的中心网格东侧第一个网格的水平速度分量；h为笛卡尔网格高度；pw为位于中心网格西侧第一个网格的压力；pp为中心网格的压力；pe为位于中心网格东侧第一个网格的压力；pee为位于中心网格东侧第二个网格的压力；α为修正因子，且α＝dt。
21、进一步的，系数矩阵定常的预测步待求解方程表示为：
22、
23、其中，表示第*时间步的流体速度矢量，*表示位于第n时间步与第n+1时间步的中间步；ρn+1表示流体质点第n+1时间步的密度；p*,n+1为n+1的流体质点的构造压力，表示为本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，采用二维等距正交的笛卡尔网格对计算流域进行网格划分，划分后流场的物理参数离散地分布在每个网格的中心，通过求解流动和相界面的偏微分方程，得到物性参数在网格上的动态变化，基于物性参数的动态变化获得两相形态预测，物性参数的动态变化求解，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，重构得到流场物性参数的过程包括：
3.根据权利要求2所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，相分数变量通过Cahn-Hilliard方程计算获取，Cahn-Hilliard方程包括：
4.根据权利要求3所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，求解Cahn-Hilliard方程时，相变量和化学势的边界条件均为Neumann边界。
5.根据权利要求1所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，通过有限体积法和常系数投影算法离散Navier-Stokes方程，并对离散后的Navier-
6.根据权利要求5所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，求解得到流场速度分布U之后，对速度进行修正，修正过程包括：
7.根据权利要求5所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，系数矩阵定常的预测步待求解方程表示为：
8.根据权利要求7所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，将▽P*,n+1近似为▽Pn+1，系数矩阵定常的压力泊松方程表示为：
...【技术特征摘要】
1.一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，采用二维等距正交的笛卡尔网格对计算流域进行网格划分，划分后流场的物理参数离散地分布在每个网格的中心，通过求解流动和相界面的偏微分方程，得到物性参数在网格上的动态变化，基于物性参数的动态变化获得两相形态预测，物性参数的动态变化求解，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，重构得到流场物性参数的过程包括：
3.根据权利要求2所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，相分数变量通过cahn-hilliard方程计算获取，cahn-hilliard方程包括：
4.根据权利要求3所述的一种高效且无振荡的海洋油气管两相形态预测方法，其特征在于，求解cahn-hilli...
【专利技术属性】
技术研发人员：王小双，张良奇，曾忠，应文俊，谭力玮，雷子钰，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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