VirtualFlow | 石油&天然气工业瞬态多相流动和流动保障模拟
多相流存在于很多工业过程中，特别是石油工业，石油、天然气和水经常一起生产、运输。另外，当有外部热源，相间的热交换或由于压降而产生的闪蒸现象时，各相的相对体积分数可沿管道变化。某些情况下，这些流体动力学特征是不希望发生的，尤其是在烃类运输系统中，例如团状流可能对某些操作组件有害。这种多相流也存在于进出储层的油气管道中。此外，管道中多相流的复杂性随气体管道中固体颗粒（包括沙子、黑粉）的存在而增加。碳钢制成的石油和天然气管道中经常发生颗粒诱发的腐蚀，腐蚀后需要拆除受影响的管段，从而导致额外成本和生产中断。对于这些现象，需要高保真的CFD预测方法与实验结合起来为安全防范系统做准备。
多孔介质中的多相流动
在CCS或EOR技术中，多孔介质流动通常涉及多个液相或气相，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。从实际角度来看，计算预测工具在选择合适的CCS地点、估算二氧化碳储存潜力、量化被捕获流体的数量方面是至关重要的。
VirtualFlow使用level-set界面跟踪方法进行仿真，以捕获指进不稳定性。图1展示了VirtualFlow软件计算得到的二维重力指进的不稳定性，两种不同密度的液体在重力作用下通过一列柱体流动。红色的浓稠液体以手指形渗入较轻的蓝色相。大量的较轻液体残留在圆筒阵列内，限制了回收过程的有效性。
液化天然气罐内的分层现象
储罐内的液化天然气(LNG)通常因不同密度引起液体分层。而LNG分层可能会导致储罐翻覆和罐内压力急剧上升等问题，这会对LNG安全灌装作业造成危害，甚至破坏流动保障。为了防止出现LNG罐内的天然气泄漏导致的气体蒸发排放、燃料流量波动和组分变化等现象，LNG站需要进行合理的设计。
液化天然气储罐有两种类型的常用加注喷嘴，分别应用在储罐顶部和底部。加气点的选择由待罐装液化天然气密度与罐内（或根部）液化天然气密度相比的大小决定。一般来说，对于轻质天然气采用底部填充的方式，而重型液化天然气采用顶部填充的方式。分层过程会受到喷嘴、初始密度差、跟部的深度和填充速度的影响。
注入处可以观察到大尺度的流体运动现象，而根据初始温差和注入速率的不同，该运动尺度可达容器尺度的一半。这些活跃的流体现象往往发生在混合剧烈的阶段，并推迟罐体液体分层现象的稳定时间。如图2所示，从VirtualFlow计算得到的速度场上可以看到这些大尺度运动。该流体运动有效地混合了不同密度的液化天然气，避免储罐内出现分层。
气举
在气举技术中，通常会在水和油流通的生产管道底部注入气体，以降低井内的重力压降，从而提高管道内的油流量。实际生产中，气体是通过管壁上的阀门注入的，容易在管道内产生大气泡。而有关水和空气的实验结果表明，注入小气泡可以提高气举效率。因为小气泡的上升速度较低，管中停留时间长，因此流体空隙率高，并且小气泡均匀地分布在管道的截面增加了气体空隙率，小延缓了气泡流向段塞流的转变，重力压降减少。因此产生大气泡对气举来说，是一个不利条件。
图3 在垂直管道中注入气体，喷嘴处的表面速度分别为0.2、0.5和1m /s，黑色的等值线表示气泡
图3所示的不同气体流量的结果表明，该模型能够预测不同大小的气泡在管道中以不同的速度、沿着特殊之字形路径上升。从图4可以看到CFD预测与实验结果是一致的——即使注入相对少量的气体，也会显著降低立管内的压降。
垂直管道中的多相流
目前对管道多相流和传热的预测工具都是基于双流体六方程模型，需要求解各相的守恒方程。在石油和天然气行业，这个模型被简化为一维，通常被称为“机械模型”。为了封闭机械模型方程，需要考虑流动特性如局部速度、壁面剪切应力、液体滞留量等的关系。这些关系在封闭模型中具有很大的不确定性，通常是经验模型，并且基于过度简化的假设。
3D段塞流模拟
3D环状流模拟结果
对于环形流态，管道尺寸减小为3cm×100cm。计算域网格有80万个网格点，模拟计算需要使用超算的128核。采用VirtualFlow软件得到的环状流模拟结果如图7，展示了由密度等值线刻画的两相流动界面和横流速度矢量图。
