ANSYSworkbench化学石化工业中的流体仿真
ANSYS有限元分析在石油工业中应用(全面)
第一章引言计算机软硬件技术的迅猛发展，给工程分析、科学研究以至人类社会带来急剧的革命性变化 ，数值模拟即为这一技术革命在工程分析、设计和科学研究中的具体表现。
数值模拟技术通过汲取当今计算数学、力学、计算机图形学和计算机硬件发展的最新成果，根据不同行业的需求，不断扩充、更新和完善。
现代化石油科技的一个突出特点就是把原有的石油及其它学科的理论、方法与不断发展的计算机技术结合起来，采用多学科联合攻关，从而形成新的石油理论和方法或制造出新型仪器、工具和设备，以最现代化的计算机软硬件技术为手段综合应用多学科技术解决石油天然气工业中的技术难题，进而提高油气勘探、开发、开采、运输与油气加工工程的科学技术水平和经济效益。
近三十年来，计算机计算能力的飞速提高和数值计算技术的长足进步，诞生了商业化的有限元数值分析软件，并发展成为一门专门的学科－计算机辅助工程CAE。
这些商品化的CAE软件在石油天然气工业领域的应用不断普及并逐步向纵深发展，CAE工程仿真在石油天然气工业设计中的作用变得日益重要。
在众多的CAE软件中，在石油领域应用最多、最广的软件是ANSYS软件。
在石油天然气工业领域，CAE仿真在产品开发、研制与设计及科学研究中已显示出明显的优越性：CAE仿真可有效缩短新产品的开发研究周期虚拟样机的引入减少了实物模型的试验次数大幅度地降低产品研发成本在精确的分析结果下制造出高质量的产品能够快速的对设计变更作出反应能充分的和CAD设计结合并对不同类型的问题进行分析能够精确的预测出产品的性能1－2、ANSYS数值模拟在石油工业中的应用领域ANSYS具有非常强大的多物理场分析功能和无可比拟的求解深广度，其求解功能几乎涵盖了石油天然气工业的所有设计领域。
在石油工业中，ANSYS的研究应用领域包括：地球物理勘探 油气开发工程 石油钻井工程 采油工程油田地面工程建设 石油机械工程 油气储运工程 海洋石油工程 压力容器设计图 1－2、ANSYS 油藏构造应力场反演结果 图 1－3、ANSYS 传动齿轮滚动接触应力图1－4、ANSYS 计算流体力学分析 图1－5、ANSYS 石油套管外挤变形仿真图1－1、ANSYS 四桩腿采油平台设计第二章 ANSYS在油气勘探开发中的应用油气勘探开发工程的研究内容之一是进行盆地多学科综合研究，以提高对区域地质和石油地质的认识。
ANSYS流体流动场分析指南
第一章 FLOTRAN 计算流体动力学(CFD)分析概述FLOTRAN CFD 分析的概念ANSYS程序中的FLOTRAN CFD分析功能是一个用于分析二维及三维流体流动场的先进的工具，使用ANSYS中用于FLOTRAN CFD分析的FLUID 141和FLUID 142 单元，可解决如下问题：• 作用于气动翼(叶)型上的升力和阻力• 超音速喷管中的流场• 弯管中流体的复杂的三维流动同时，FLOTRAN还具有如下功能：• 计算发动机排气系统中气体的压力及温度分布• 研究管路系统中热的层化及分离• 使用混合流研究来估计热冲击的可能性• 用自然对流分析来估计电子封装芯片的热性能• 对含有多种流体的(由固体隔开)热交换器进行研究FLOTRAN 分析的种类FLOTRAN可执行如下分析：• 层流或紊流• 传热或绝热• 可压缩或不可压缩• 牛顿流或非牛顿流• 多组份传输这些分析类型并不相互排斥，例如，一个层流分析可以是传热的或者是绝热的，一个紊流分析可以是可压缩的或者是不可压缩的。
层流分析层流中的速度场都是平滑而有序的，高粘性流体（如石油等）的低速流动就通常是层流。
紊流分析紊流分析用于处理那些由于流速足够高和粘性足够低从而引起紊流波动的流体流动情况，ANSYS中的二方程紊流模型可计及在平均流动下的紊流速度波动的影响。
如果流体的密度在流动过程中保持不变或者当流体压缩时只消耗很少的能量，该流体就可认为是不可压缩的，不可压缩流的温度方程将忽略流体动能的变化和粘性耗散。
热分析流体分析中通常还会求解流场中的温度分布情况。
如果流体性质不随温度而变，就可不解温度方程。
在共轭传热问题中，要在同时包含流体区域和非流体区域（即固体区域）的整个区域上求解温度方程。
在自然对流传热问题中，流体由于温度分布的不均匀性而导致流体密度分布的不均匀性，从而引起流体的流动，与强迫对流问题不同的是，自然对流通常都没有外部的流动源。
可压缩流分析对于高速气流，由很强的压力梯度引起的流体密度的变化将显著地影响流场的性质，ANSYS对于这种流动情况会使用不同的解算方法。
ANSYS workbench化学石化工业中的流体仿真
ANSYS CAE 解决方案
◦ 在结构的所有单元上的风力载荷的详细分布图
◦ 研究波浪的影响的能力
◦ 研究在暴风雨中哪个部分会遭受到最强的载荷,
包括风的影响
◦ 增强对升降机甲板周围的力和流体的细节的理
解
Some images courtesy of BP ANSYS UGM 2017
油气水三相分离器
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储运 输油管
化学/石化的仿真需求分析
• 钻采 • 储运 • 炼化过程 • 石油化工
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化学/石化的仿真需求分析
钻采
钻探/井下 海上 平台
陆上的
储运
长输管道 压力容器 泄露、环境污染
气体浮选装置
挑战
◦ 主要的设计挑战是在一个单一的垂直罐体内通过
气体浮选系统进行高强度的分离
◦ 注入微小尺寸的气泡 (100 到 500 微米).
ANSYS CAE 解决方案
◦ 对气体浮选装置里现有的标准喷射器作仿真分析 ◦ 设计新的气体喷射器，并且仔细地研究它们的性
能以得到它们的效率
◦ 考虑多相流体，以及它们在气体浮选装置里不同
燃烧器、燃烧炉、泄露着火、烟气脱硫…….）
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ANSYS CFD解决方案
产品参数优化
换热模型
丰富的多相流模 型（欧拉、DPM VOF）
旋转机械设备
ANSYS CFD
ANSYS流体流动场分析指南
ANSYS流体流动场分析指南流体流动场分析是一种在工程领域中广泛应用的数值模拟方法，它可以帮助工程师了解和预测流体在给定几何结构中的行为。
ANSYS是一种流体流动场分析软件，它提供了各种工具和功能，使工程师能够进行高质量的流体流动场分析。
本指南将介绍ANSYS流体流动场分析的一般步骤和技巧，以帮助初学者有效地进行流体流动场分析。
1.准备工作在进行流体流动场分析之前，需要进行一些准备工作。
首先，需要准备好几何模型，包括流体流动区域和周围环境的几何形状。
其次，需要根据实际情况选择合适的流体模型，例如是液体还是气体，以及流体的物理特性，如密度、黏度等。
最后，需要准备好边界条件，包括入口速度、出口压力等。
2.创建模型在ANSYS中创建模型是流体流动场分析的第一步。
可以使用ANSYS提供的几何建模工具创建几何结构，也可以导入其他CAD软件创建的几何模型。
在创建模型时，需要确保流动区域的几何结构合理且尽可能简化，以便提高计算效率。
3.网格划分在进行流体流动场分析之前，需要将几何结构划分为离散的网格。
合理的网格划分对于准确和有效地求解流体流动方程非常重要。
ANSYS提供了各种网格划分工具，如自动网格划分和手动网格划分工具。
在进行网格划分时，需要注意网格的稳定性和精度，以及网格重构的技巧。
4.设置边界条件在进行流体流动场分析之前，需要设置边界条件。
边界条件包括入口速度、出口压力、壁面条件等。
设置合适的边界条件对于准确模拟实际流体流动行为非常重要。
在设置边界条件时，需要根据实际情况并考虑流体流动方程的边界条件。
5.定义物理模型在进行流体流动场分析之前，需要定义物理模型。
物理模型包括流体的物理特性，如密度、黏度等，以及流体流动的物理现象，如湍流、热传导等。
在定义物理模型时，需要根据实际情况选择合适的模型，并根据流体流动行为进行合理的假设。
6.求解流动方程在进行流体流动场分析之前，需要求解流动方程。
流动方程描述了流体在给定几何结构中的流动行为。
浅析ANSYS技术在化工机械设计中的应用
浅析ANSYS技术在化工机械设计中的应用
ANSYS是一种计算机辅助工程分析软件，广泛应用于各个领域的工程分析和设计中。
在化工机械设计中，ANSYS技术被广泛应用于流体传动、传热、结构分析等方面。
本文将从这几个方面来浅析ANSYS技术在化工机械设计中的应用。
ANSYS技术在化工机械设计中的流体传动分析方面具有重要的应用价值。
在化工设备中，流体传动是一个非常重要的工作环节，如泵、风机、管道等。
ANSYS软件可以通过流场模拟来分析和优化这些传动系统的性能。
通过建立几何模型和流体动力学模型，可以计算出流速、压力分布、压力损失等参数，进而确定传动系统的性能和效率。
ANSYS技术在化工机械设计中具有重要的应用价值。
通过对流体传动、传热和结构的分析和优化，可以提高化工设备的性能、效率和可靠性。
ANSYS软件具有直观的界面和丰富的分析功能，可以使设计人员更加方便和快捷地进行分析和设计工作。
ANSYS技术在化工机械设计中的应用前景非常广阔。
ansys workbench建模仿真技术及实例详解 -回复
ansys workbench建模仿真技术及实例详解-回复什么是ANSYS Workbench建模仿真技术，以及提供一个实例来详解。
ANSYS Workbench建模仿真技术是一种集成在ANSYS软件平台下的先进仿真建模工具。
它能够提供全面的、高精度的仿真分析，用于解决各种工程问题。
ANSYS Workbench能够模拟并分析结构力学、流体动力学、热传导和电磁场等各种物理现象，它是一个功能强大且灵活的工具，可用于设计优化、性能评估和故障诊断等应用。
ANSYS Workbench的优势之一是其集成的工作环境。
它提供了一个统一的界面，允许工程师能够轻松地建立多物理场的模型、设置边界条件、进行网格划分以及执行仿真分析。
这个集成环境大大提高了工作效率，减少了因为转换格式而产生的错误和不一致性。
ANSYS Workbench还具有高度可扩展性。
它支持多种不同类型的分析，并且可以与其他工具和软件集成。
这使得工程师能够根据他们的特定需求，选择合适的分析方法和模型。
此外，ANSYS Workbench还可以通过添加插件和自定义脚本等方式进行扩展和定制化，以满足用户需求。
下面以一个实例来详细说明ANSYS Workbench建模仿真技术的应用。
假设我们要设计一个汽车的底盘，我们希望通过仿真分析来优化其刚度和强度。
首先，我们需要建立一个底盘的三维几何模型。
可以使用ANSYS SpaceClaim软件来创建几何模型，然后将其导入到ANSYS Workbench 中进行后续分析。
接下来，我们需要定义材料属性。
通过在材料库中选择合适的材料，并输入相应的力学参数，如弹性模量、泊松比和屈服强度等。
这些参数将用于定义底盘的材料行为。
然后，我们需要设定边界条件。
我们可以设定车轮的载荷、车身的支撑条件、底盘的连接方式等。
这些边界条件将用于约束和模拟底盘在实际工况下的受力情况。
接着，我们需要对几何模型进行网格划分。
ANSYS Workbench提供了多种网格划分工具，可以根据模型的复杂性和分析需求选择合适的网格类型和划分方法。
ANSYS流体流动场分析指南
ANSYS流体流动场分析指南ANSYS是一款强大的工程仿真软件，可以用于流体力学分析。
在进行流体流动场分析之前，我们需要进行一系列准备工作，包括建立几何模型、网格划分、设定物理模型、设定求解器和后处理结果等。
下面是ANSYS流体流动场分析的详细指南。
1.建立几何模型：在进行流体流动场分析之前，我们需要先建立几何模型来描述流体流动的几何形状。
可以使用ANSYS提供的几何建模工具（如DesignModeler）或导入外部几何模型。
2.网格划分：在建立几何模型之后，需要对几何体进行网格划分，将其分割为有限的小单元。
ANSYS提供了多种网格划分工具（如ICEMCFD），可根据具体问题选择合适的划分方法和参数。
3.设定物理模型：在进行流体流动场分析之前，需要设定物理模型，包括流体的性质（如密度、粘度）、边界条件（如入口速度、出口压力）和物理现象（如湍流、传热）。
可以根据具体问题选择合适的物理模型和参数。
4.设定求解器：在设定了几何模型、网格和物理模型之后，需要选择合适的求解器来求解流体力学方程。
ANSYS提供了多种求解器（如FLUENT），可根据具体问题选择合适的求解器和求解方法。
5.设置求解参数：在进行流体流动场分析之前，需要对求解器进行进一步的设置，包括时间步长、收敛准则和数值格式等。
这些参数的选择将直接影响计算结果的准确性和计算效率。
6.进行数值模拟：在完成前面的准备工作之后，可以开始进行数值模拟，求解流体力学方程，得到流场的分布情况。
可以通过单步计算或迭代计算的方式进行求解，直到满足收敛准则为止。
7.后处理结果：在完成数值模拟之后，需要对计算结果进行后处理，包括流场的可视化、数据的提取和分析。
ANSYS提供了强大的后处理工具，如CFD-Post，可以对计算结果进行可视化、动画展示和数据分析。
在进行流体流动场分析时，还需要注意以下几点：1.网格的质量：网格质量对于计算结果的准确性和计算效率至关重要，应尽量避免生成糟糕的网格，特别是在流动区域和边界层附近。
ANSYS流体流动场分析指南
ANSYS流体流动场分析指南概述：ANSYS是一款广泛应用于工程领域的仿真软件，其中包括了流体力学领域的流动场分析。
流动场分析是一种应用数值方法对流动现象进行建模和计算的过程，通过模拟流体在不同条件下的流动行为，可以预测流体的速度、压力、温度等参数，进而对工程问题进行分析和优化。
本指南将重点介绍如何使用ANSYS进行流体流动场分析，包括建模、网格生成、边界条件设置、物理模型选择、求解和结果后处理等方面的内容。
一、建模在进行流动场分析之前，首先需要进行建模。
ANSYS提供了多种建模工具，包括几何实体建模、CAD导入、参数化建模等。
用户可以根据实际需求选择相应的建模工具进行建模。
建模的目标是根据流体流动现象的特点和实际工程问题的要求来构建合适的模型。
二、网格生成在完成建模后，需要对模型进行网格生成。
网格生成是将模型离散为有限单元或有限体积的过程，决定了后续数值计算的准确度和计算效率。
ANSYS提供了多种网格生成工具，包括刚体网格生成、自适应网格生成等。
用户可以选择相应的网格生成工具根据实际需求和模型特点生成合适的网格。
三、边界条件设置在进行流动场分析之前，需要设置合适的边界条件。
边界条件包括流体的入口条件、出口条件、壁面条件等。
对于入口条件，需要指定流体的入口速度、入口压力或流量等；对于出口条件，需要指定出口压力或出口速度等；对于壁面条件，如模型表面的摩擦、换热等效应，需要指定相应的条件。
四、物理模型选择在ANSYS中，可以选择多种不同的物理模型来进行流动场分析。
常用的物理模型包括静流动、稳流动、湍流流动、多相流动等。
用户需要根据流动现象的实际特点和要求选择合适的物理模型。
五、求解在设置完边界条件和物理模型后，可以进行数值计算求解流动场。
ANSYS提供了多种求解器，包括有限体积法、有限元法等。
用户可以根据模型的特点和求解要求选择相应的求解器进行求解。
六、结果后处理在求解完成后，可以对结果进行后处理分析。
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ANSYS UGM 2017
催化裂化主风机优化
挑战
◦ FCC（催化裂化） 的性能受到主风机性能的局
限
◦ 再生装置里FCC催化剂燃烧后产生的焦炭 ◦ 主风机设计来鼓动空气，并使之进入再生空
气支管
◦ 主风机的效率不到90%
客户实例的结果和受益
◦ 从周围的空气进入到主风机进气口流线的仿真模
拟，以寻找出流体流动过程中的问题
泄漏
◦ 当侵蚀斑出现之后侵蚀加剧
Incoming particulate Erosion caused by particle impact
FLOW
Plots of erosion contours in a 4-inch test case
larger ID after 42 hr
ANSYS CAE 解决方案
August 3, 2017
ANSYS UGM 2017
Composite CFD results illustrating the vortex core
and flow velocity at various axial planes
管道内的侵蚀
挑战
◦ 管道系统截面的变化是必要的 ◦ 肘部或缩减面的侵蚀导致材料的损耗和
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August 3, 2017
ANSYS UGM 2017
混合搅拌
挑战
◦ 在化学品和碳氢化合物的处理中混合是基本的一环 ◦ 很多的参数来影响好的混合 ◦ 选择正确的容器，包括几何形状、类型、相关的内部结构等
Composite animation of species mixing downstream of a PBT impeller and the pressure pulses on the baffle
ANSYS CAE 解决方案
◦ 优化人口设计来减少侵蚀，增加效率，以
及研究装置的适用范围
◦ 几何和结构的优化设计以符合2相和3相不
同粒子的应用
◦ 关于各种应用和分离器的形状，要考虑：
粒子质量，直径，载荷 流体特性，压力下降 结构应力，构造，侵蚀 单独使用的和组合使用的性能
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挑战
◦ 浮式海上平台，风、浪、流作用下结
构振荡的运动形式
◦ 油水交界面晃动 ◦ 复杂的流体运动，包括合并，截断以
及多相流体
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August 3, 2017
Simulated effect of baffles in reducing sloshing in a oil-water-gas separator
天然气脱水
挑战
• 天然气中包括了饱和水蒸汽、H2S、固体颗粒等杂质 • 输送过程中容易凝集成液态水
• 容易溶解酸性气体，而形成具有较强腐蚀性的酸液腐 蚀设备
• 高速气体与叶片产生碰撞 产生激波
解决：
•克服了高速气流与旋流叶片撞击造成的 能力损失 •避免了分离后水滴的二次蒸发，提高了 分离效率 •将冷凝和分离都集中在了扩充段，省去 了直管段，优化了流场 •改良后的超音速气液分离器已经投入了 生产，属于了海上天然气的一部分
流动、混合与分离 颗粒流 相变、换热 组分输运、燃烧与化学反应
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钻头设计
挑战
◦ 钻口设计对于清除岩屑来说占主
要地位
◦ 清除岩屑的效率是鉴定机械转速
(ROP)最佳化的关键
◦ 测量和可见模型的建立是非常困
气体浮选装置
挑战
◦ 主要的设计挑战是在一个单一的垂直罐体内通过
气体浮选系统进行高强度的分离
◦ 注入微小尺寸的气泡 (100 到 500 微米).
ANSYS CAE 解决方案
◦ 对气体浮选装置里现有的标准喷射器作仿真分析 ◦ 设计新的气体喷射器，并且仔细地研究它们的性
能以得到它们的效率
◦ 考虑多相流体，以及它们在气体浮选装置里不同
◦ 分离器、过滤器和其它实体操作装置的设计和优化
Volume fraction of gas bubbles in a fluidized bed with internals (solid volume fraction is in red)
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Tricone Drill Bit
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Some images courtesy of Hughes Christenson & Pluere ANSYS UGM 2017
流化床颗粒运动
挑战
◦ 颗粒尺寸的控制 ◦ 相互接触的微粒的设计 (控制微粒的磨损) ◦ 微粒有效分离、分类和收集的装置的设计 ◦ 细小结构的捕获和移动 ◦ 气化和流动层的反应
Transient pressure distribution caused by ocean waves on an shallow water platform
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windward
leeward
Pressure distribution, production troll
燃烧器、燃烧炉、泄露着火、烟气脱硫…….）
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ANSYS CFD解决方案
产品参数优化
换热模型
丰富的多相流模 型（欧拉、DPM VOF）
旋转机械设备
ANSYS CFD
相变（沸腾、 蒸发冷凝、空化）
高效并行
流固耦合FSI
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Velocity contours illustrating flow distribution at the exit of blower
Image courtesy ExxonMobil
海上平台载荷分析
挑战
◦ 在不同的风力载荷和波浪载荷下结
构的安全性
◦ 风的方向和与之相连的力的影响
Macro mixing structures, colored by
ANSYS CAE 解决方案
vorticity contours, in a mixing tank with a 6balded Rushton impeller
◦ 不管是单相还是多相的流体，详细的分析结果都有助于
对混合情况的了解（包括热和质量的传递）
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储运 输油管
化学/石化的仿真需求分析
• 钻采 • 储运 • 炼化过程 • 石油化工
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化学/石化的仿真需求分析
钻采
钻探/井下 海上 平台
陆上的
储运
长输管道 压力容器 泄露、环境污染
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目录
• 化学/石化行业仿真需求 • ANSYS在化学/石化应用中的解决方案
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化学/石化行业仿真需求分析
PDC钻头
除砂橇
油水分离器
石油天然气开采 炼油
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Middle: comparison of simulation and experiment for a nonperforming eductor
Bottom Right: final design, illustrated through uniform bubble distribution.
难的也是代价昂贵的
Contours of shear stress in the cone (left) and at the bottom (right).
ANSYS CAE 解决方案
◦ 标志着有效地清除岩屑的关于流场和剪切效
率特性的详细信息
◦ 优化
锥体的清洁, 底孔的清洁 岩屑排出
◦ 腐蚀预测 ◦ 扭矩相关的机械应力的处理能力
ANSYS CAE 解决方案
◦ 在结构的所有单元上的风力载荷的详细分布图
◦ 研究波浪的影响的能力
◦ 研究在暴风雨中哪个部分会遭受到最强的载荷,
包括风的影响
◦ 增强对升降机甲板周围的力和流体的细节的理
解
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油气水三相分离器
化学/石化工业中的流体仿真
李红梅/ 流体应用工程师 安世亚太科技股份有限公司
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目录
• 化学/石化行业仿真需求 • ANSYS在化学/石化应用中的解决方案
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位置的表现
◦ 用户的实例：新的注射器和阻碍系统产生的气泡
得到了很好的分散，并且消除了不希望的循环区 域
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Top: A vertical column induced gas floatation (IGF) on a transport skip