一种预测特殊螺纹接头油套管流固耦合特性的分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种石油管材用特殊螺纹接头油套管技术，具体涉及一种预测特殊螺 纹接头油套管流固耦合特性的分析方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，各国对于石油、天然气等基础能源的需求大幅增加。石油油套管作为重要 的能源输送介质，是石油天然气开采的主要工具。然而，随着管道输送量的不断加大，管径、 壁厚及强度等的不断提升，许多原来被忽略的问题都会显现出来，如内部输送流体的振动 对管道结构服役性能的影响，特殊螺纹接头油套管对内部流场的影响等。这些问题对石油 管材用特殊螺纹接头油套管的结构设计、制造都提出了更高要求。
[0003] 在许多实际的工程研究领域里，相关学科间日益交叉，分析计算的结构往往不是 一个单独的物理场，而是处于多个物理场相互耦合中，越来越多的问题需要进行耦合场分 析。对于特殊螺纹接头油套管的研究，传统的大量研究只是单一地分别集中于管体的结构 特性或者管体内部的流体动力学分析。然而在实际工程中，特殊螺纹接头油套管是处在一 个大型的流固耦合系统当中，管体的振动会引起内腔流体的非定常流动；反过来，内腔流体 的流动又会导致管体的结构振动等。因此，基于流固耦合理论对特殊螺纹接头油套管的相 关研究是十分必要和重要的。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于克服了现有技术的缺点，提供了一种用于石油管材用特殊螺 纹接头油套管流固耦合特性的分析方法，解决了流体网格与固体网格之间的计算差异，建 立了一种快速准确的数据传递方法，能够对特殊螺纹接头油套管流固耦合特性进行模拟计 算，更加准确逼真的反映了特殊螺纹接头油套管结构及其内腔流场的动态情况，为特殊螺 纹接头油套管的开发提供指导，有效降低试验成本。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] 本发明的预测特殊螺纹接头油套管流固耦合特性的分析方法，具体包括以下步 骤：
[0007] 步骤一：建立特殊螺纹接头油套管的几何模型及其内部流场的计算区域；
[0008] 利用三维建模软件建立特殊螺纹接头的仿真3-D模型，基于计算流体力学的基本 理论建立内部流场的计算区域及其相关边界条件；
[0009] 1)质量守恒方程：
[0010]
[0011] 2)动量守恒方程：
[0012]
[0013] 3)能量守恒方程：
[0014]
[0015] 步骤二：分别对特殊螺纹结构及其内部流场进行网格划分，建立了二者之间的 流-固耦合界面；
[0016] 分别对特殊螺纹管体结构本身及其内部流场进行网格划分，采用计算精度最好的 六面体单元，为了更好地仿真还应特意加在结构与流场空腔之间的网格并设置流_固耦合 单元，将流-固親合界面定义成特殊的FSI，所述特殊的FSI单元选取结构与流场接触的第 一层单元与节点；
[0017] 步骤三：建立快速、高效的数据传递方法，将流体压力传递至结构表面；
[0018] 考虑耦合界面上网格尺寸之间的定量关系，解决了流体网格与结构网格间的计算 差异，建立了快速、高效的数据传递方法，将流体压力传递至结构表面，进行数值计算，对计 算结果进行后处理，得到结构本身及其内部流场的动态变化过程。
[0019] 1)流体网格到固体网格传递公式：
[0020] [AMcsm] = [Tcfdcsm]t[AMcfd]
[0021] 本发明的有益效果是：
[0022] 1.本发明的一种预测特殊螺纹接头油套管流固耦合特性的分析方法，充分考虑了 特殊螺纹接头油套管内部流场对结构本身的影响，提高了预测结果的可信度。
[0023] 2.本发明的一种预测特殊螺纹接头油套管流固耦合特性的分析方法，能够实现对 特殊螺纹接头油套管流固耦合特性进行快速、高精度的数值预测，通过对有限元软件的二 次开发，建立快速、高效的数据传递方法，解决了耦合界面网格间的非一致性，增强了计算 的灵活性和效率。
[0024] 3.本发明的一种预测特殊螺纹接头油套管流固耦合特性的分析方法，不仅可以获 得大量的特殊螺纹结构本身的变形和内部流场的动态信息，更重要的是可以对考虑流固耦 合效应下特殊螺纹接头的特性进行评估，能够准确预测其强度失效等，减少实验次数，节约 成本。
【附图说明】
[0025] 下面结合附图，对本发明的【具体实施方式】进行详细说明。
[0026]图1是本发明预测特殊螺纹接头流固耦合特性仿真分析方法的流程图；
[0027] 图2是本发明网格划分；
[0028] 图3是FSI定义示意图；
[0029] 图4是耦合界面上网格尺寸之间的关系；
[0030] 图5是本发明耦合数据传递的具体步骤。
【具体实施方式】
[0031] 本发明的一种预测特殊螺纹接头流固耦合特性的仿真分析方法，其较佳的具体实 施方式参见图1，包括：
[0032] 步骤一：建立特殊螺纹接头的几何模型及其内部流场的计算区域；
[0033] 利用三维建模软件建立特殊螺纹接头的仿真3-D模型，基于计算流体力学的基本 理论建立内部流场的计算区域及其相关边界条件。
[0034] 1)质量守恒方程：
[0035]
[0036] 2)动量守恒方程：
[0037]
[0038] 3)能暈守恒方程：
[0039]
[0040]步骤二：分别对特殊螺纹结构及其内部流场进行网格划分，建立了二者之间的 流-固耦合界面；
[0041] 分别对特殊螺纹管体结构本身及其内部流场进行网格划分，采用计算精度最好的 六面体单元，为了更好地仿真还应特意加在结构与流场空腔之间的网格并设置流-固耦合 单元，将流-固親合界面定义成特殊的FSI。
[0042] 在具体进行流-固耦合界面设置时，参见所给出的二次开发程序：
[0043] ALLSEL, ALL
[0044] EPL0T
[0045] ESEL, S, TYPE, , 1
[0046] EPLOT
[0047] ET, 3, SURF154
[0048] ESURF
[0049] ESEL, S, TYPE, , 3
[0050] EPLOT
[0051] NSLE,S
[0052] NPLOT
[0053] ESLN, S
[0054] EPLOT
[0055] ESEL, R, TYPE, , 5
[0056] EPLOT
[0057] ESEL, R, TYPE, , 3
[0058] EPLOT
[0059] NSLE,S
[0060] NPLOT
[0061] ESEL, S, TYPE,, 4
[0062] SF, P51X, FSI
[0063] CDWRITE，DB，/xx，，《XXX，，，"，"
[0064] INPUT,'xxx' ， 'sfe' ， 'D:\' ，，0
[0065] 必须选择结构与流场接触的第一层流体单元和节点，将其设置成特殊的"接触型" 流体单元，这是后续数据传递必不可少的一步，只有这样才能保证后续数据传递的准确性。 最终，参见图2和图3,特殊螺纹接头油套管结构与流场空腔间的流固耦合界面定义。
[0066] 步骤三：建立快速、高效的数据传递方法，将流体压力传递至结构表面；
[0067]参见图4,考虑耦合界面上网格尺寸之间的定量关系，解决了流体网格与结构网格 间的计算差异。参见图5,建立了快速、高效的数据传递方法，在结构表面建立表面效应力单 元，能够将流体压力传递至结构表面，进行相关的后续数值计算，对计算结果进行后处理分 析，得到结构本身及其内部流场的动态变化过程。
[0068] 1)流体网格到固体网格传递公式：
[0069] [AMcsm] = [Tcfdcsm]t[AMcfd]
[0070] 本发明实现了预测特殊螺纹接头油套管流固耦合特性的仿真分析方法，充分考虑 了特殊螺纹接头油套管结构与其内部流场的耦合效应，解决了耦合界面网格间的计算差 异，提高了计算结果的可信度；能够实现对石油管材用特殊螺纹接头流-固耦合特性进行 真实、快速、高效地预测分析，增强了产品设计的综合质量及其使用可靠性。
[0071] 以上是本发明较佳的【具体实施方式】，但是，不能认定本发明的【具体实施方式】仅限 于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可 以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保 护范围。
【主权项】
1. 一种预测特殊螺纹接头油套管流固耦合特性的分析方法，其特征在于：所述分析方 法具体包括如下步骤： 步骤一：建立特殊螺纹接头油套管的几何模型及其内部流场的计算区域； 利用三维建模软件建立特殊螺纹接头油套管的3-D模型，基于计算流体力学的基本理 论建立内部流场的计算区域及其相关边界条件； 步骤二：分别对特殊螺纹油套管结构及其内部流场进行网格划分，建立二者之间的流 固耦合界面； 分别对特殊螺纹油套管结构本身及其内部流场进行网格划分，在结构与流场空腔之间 设置流-固耦合单元，将流固耦合界面定义成特殊的FSI，所述特殊的FSI单元选取结构与 流场接触的第一层单元与节点； 步骤三：建立数据传递方法，将流体压力传递至结构表面； 考虑耦合界面上网格尺寸之间的定量关系，解决了流体网格与结构网格间的计算差 异，建立数据传递方法，将流体压力传递至结构表面，进行数值计算，对计算结果进行后处 理，得到结构本身及其内部流场的动态变化过程。
【专利摘要】本发明公开了一种预测特殊螺纹接头油套管流固耦合特性的分析方法，首先，建立了特殊螺纹接头油套管的几何模型及其内部流场的计算区域；然后，分别对结构及其内部流场进行网格划分，建立了二者之间的流固耦合界面；最后，考虑耦合界面上网格尺寸之间的定量关系，解决了流体网格与结构网格间的计算差异，建立了快速、高效的数据传递方法，将流体压力传递至结构表面，进行数值计算，对计算结果进行后处理，得到了结构本身及其内部流场的动态变化过程。本方法充分考虑了特殊螺纹接头油套管结构与其内部流场的流固耦合效应，解决了耦合界面网格间的计算差异，提高了计算结果的可信度；能够实现对特殊螺纹接头油套管流-固耦合特性进行真实、快速、高效地预测分析，增强了对特殊螺纹接头油套管设计的综合质量及其使用可靠性。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105205269
【申请号】CN201510622923
【发明人】毕宗岳, 徐凯, 白鹤, 鲁碧为, 张峰, 梁航, 杨晓龙, 周新义, 李周波, 汪强, 韦奉, 何石磊, 李远征, 王亮, 程逞, 周家东
【申请人】宝鸡石油钢管有限责任公司
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年9月25日