بخشی از مقاله
چکیده
در چند دهه اخیر، مطالعه مساله بر هم کنش میان ذرات جامد و سیال همواره یک مساله جذاب و قابل توجه برای محققان بوده است. بررسی بر هم کنش میان ذرات جامد و سیال به عنوان مقدمه ای بر شبیه سازی و بررسی بسیاری از مسائل مهندسی مورد بررسی قرار گرفته است که می توان به شبیه سازی حرکت ماسهها در اطراف چاههای تولیدی نفت و گاز اشاره کرد، به طوری که موفقیت عملیات تولید از چاهها وابستگی مستقیمی به تمیزی حفرههای مشبک شده چاههای نفتی دارد. از این رو در این پژوهش حرکت ذرات جامد در سیال به عنوان مقدمهای بر شبیه سازی موضوع مورد بحث مورد بررسی قرار گرفت .
برای شبیه سازی سیال از روش شبکه بولتزمن و برای شبیه سازی ذرات جامد از روش نمایه هموار استفاده شد. همچنین به منظور کاهش زمان محاسبات از پردازش موازی توسط کارت گرافیک استفاده گردید. نتایج حاکی از این بود که ترکیب دو روش شبکه بولتزمن و نمایه هموار قادر به شبیه سازی حرکت ذرات جامد در سیال می باشد و باتوجه به اینکه این دو روش قابلیت پردازش موازی را دارا هستند، زمان انجام محسبات با کارت گرافیک به شدت کاهش یافت.
.1 مقدمه و مبانی نظری
1-1 مقدمه
به دلیل عدم اطمینان در پیش بینی فرایند حرکت ماسه در چاههای نفتی، صنایع نفتی غالبا بسیار محافظه کارانه عمل کرده و از یک سری تکنیک های گران قیمت مانند بستههای شنی، استرها و مواد شیمیای چسپنده برای کنترل حرکت ماسه ها در چاه های نفتی استفاده می کنند. پیش بینی دقیق حرکت ذرات ماسه در نزدیکی حفرههای مشبک شده در چاههای نفتی می تواند در بهینه سازی فرایندهای تولیدی از چاه بسیار تاثیر گذار و مفید باشد.
از این رو مطالعات متعددی در این زمینه توسط محققین صورت گرفته است که اغلب این مطالعات به صورت ازمایشگاهی و میدانی بوده است.[4-1] به دلیل هزینه بالای تکنیکهای ازمایشگاهی و میدانی، استفاده از روشهای شبیه سازی عددی می تواند جایگزین مناسبی برای تکنیکهای قبلی باشد. از این رو در این تحقیق، شبیه سازی عددی حرکت ذره جامد در سیال به عنوان مقدمه ای بر شبیه سازی حرکت ذرات ماسه در اطراف چاههای نفتی مورد بررسی قرار می گیرد.
برای شبیه سازی این ذره در جریان سیال باید دو موضوع شبیه سازی سیال و شبیه سازی جسم جامد به طور همزمان برای حل مساله مورد بررسی قرار می گرفت. به همین خاطر ازترکیب روش شبکه بولتزمن برای شبیه سازی جریان سیال و روش نمایه هموار برای بررسی اندر کنش سیال و ذره استفاده شد. از مزیتهای ترکیب روشهای شبکه بولتزمن و نمایه هموار در شبیه سازی ذرات جامد درون سیال آن است که محاسبات این روشها کاملاً محلی بوده و قابلیت پردازش موازی را دارند. ازاینرو برای کاهش مدتزمان محاسبات، از برنامهنویسی کودا بر روی کارت گرافیک استفاده شد.
.2 روش و مراحل تحقیق
1-2 روش شبکه بولتزمن
برای شبیه سازی جریان سیال از روش شبکه بولتزمن سه بعدی در این تحقیق استفاده شد. در این روش کمیتهای ماکروسکوپی از محاسبه تابع توزیع احتمال - - , بدست می آیند که این تابع توسط حل معادله بولتزمن محاسبه می شود. بر اساس روش ارائه شده توسط بهاتنگار، گروس و کروک[5] ترم برخورد در معادله بولتزمن ساده شده و معادله مورد نظر به صورت زیر نوشته می شود.
2-2 روش نمایه هموار برای شبیه سازی ذرات جامد
یکی از روشهای ایجاد اندرکنش سیال Bجامد شرط مرزی نمایه هموار است. در این روش به جای اعمال شرط مرزی عدم لغزش در مرز مشترک سیال و جامد، حضور این ذرات جامد در سیال به صورت نیروهای حجمی هموار معین در روش شبکه بولتزمن وارد می شود. این شرط مرزی بر پایه نیروی مرزی خارجی اعمالشده در سطح مشترک سیال و جامد است؛ که با اعمال این نیرو شرط عدم لغزش در سطح ذرات جامد درون سیال برقرار میشود.
در این روش سطح مشترک بین جامد و سیال به طور هموار از سمت جامد به سمت سیال میل می کند، به عبارتی این سطح مشترک یک ضخامت مشخص دارد که در این ضخامت به تدریج و به طور هموار از سمت جامد به سمت سیال حرکت می کند. ویژگی مشترک استفاده از گرهبندی کارتزین در هر دو روش شبکه بولتزمن و روش نمایه هموار باعث میشود که ترکیب این دو روش برای حل جریان های دارای ذرات جامد به عنوان یک روش کارا مطرح شود.
