基于 VirtualFlow 的海洋经济场景仿真技术与应用

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海洋经济是以海洋资源开发利用为核心的综合性经济形态，涵盖渔业、油气、航运、船舶制造、滨海旅游、海洋新能源等多元领域，是国民经济的重要增长点。其发展兼具资源保障与产业升级双重价值，既支撑能源安全、粮食安全，又推动新兴产业迭代，对经济高质量发展和国家海洋战略实施至关重要。

CFD（计算流体力学）在海洋经济领域的应用贯穿资源开发、环境保护、航行安全等核心环节，通过精准的流体仿真分析，大幅降低研发与运营成本、提升工程安全性与资源利用效率，是推动海洋经济高质量发展的关键技术工具。

Part 01

海洋资源开发领域

海洋资源开发是对海洋中各类可用资源进行勘探、开采、利用和保护的综合性产业活动。其中深海石油开发是海洋矿产能源开发的核心板块，聚焦千米级深海油气藏的勘探评价、钻采工程与全生命周期运维，是衡量一个国家海洋开发技术水平与能源保障能力的重要标志。该领域需攻克高压低温、海床地质复杂、深水钻井风险高、油气水多相流管控难等一系列技术难题，依托数字岩心、CFD仿真、深水装备研发等关键技术，实现深海油气资源的高效、安全、绿色开采，对保障国家能源安全、拓展海洋经济发展空间具有不可替代的战略意义。

深海油气开发

油气藏储层是复杂孔隙结构的多孔介质，孔隙大小分布在不同尺度上，具有多尺度特征。在三维 CT 扫描构建真实数字岩心的基础上，通用流体仿真软件VirtualFlow可以与图像处理工具耦合获得高质量STL文件，通过浸入表面网格技术（IST）对复杂孔隙结构进行网格剖分，采用多样化的模型组合可以计算多相流驱替、扩散、相态变化等过程，量化微观渗流机理，并将微观规律外推至岩心 / 井组尺度，支撑深海油藏数值模拟与开采策略制定。

CT设备获得的孔隙结构

VirtualFlow计算得到的砂岩压力场

海底管道多相流与段塞流

海底管道中气液流动对于石油分离和运输具有重要意义。气液混合物（油，固体颗粒，水合物，蜡，冷凝水和/或水的轻和重组分）会在各种流型（例如气泡，团状，环形，薄雾）下产生并随流体输运。另外，相含率会由于加热、相间热交换或由于减压而产生的闪蒸等沿着管道变化。

基于VirtualFlow的段塞流模拟

在垂直管道流中，流态识别对于成功钻井和生产至关重要。采用VirtualFlow软件可以得到实际中可能出现的流动图像。

通用流体仿真软件VirtualFlow提供水合物的生成及溶解模型，包括：生成模型、变异模型（轻碳至甲烷）、水合物形成中的释热模型、流变模型、分解模型、固体水合物融化模型。VirtualFlow可用于模拟深海采油工艺中水合物的生成过程，预测水合物生成量、对管道的堵塞等，评估水合物对采油工艺的影响，并研究水合物的抑制与控制，保障天然气水合物开采工艺顺利完成。

深海油气泄露与应急

石油及其炼制品在开采、炼制、贮运过程中进入海洋环境会造成严重污染，需要采用紧急预案进行捕集，例如采用顶部开孔的钟形控油罩，底部罩住漏油点，将原油从顶部通过油管疏导到海面上的油轮。但在控油罩下降过程中，深海中的洋流裹挟着原油和天然气进入了控油罩内，天然气在深海的低温高压环境下形成的甲烷水合物（可燃冰）会造成控油罩顶部输油口堵塞。为抑制甲烷水合物的形成，可以在捕集系统中缓缓注入甲醇，以防止水合物堵塞。

基于VirtualFlow对捕集器进行模拟

采用VirtualFlow软件可以对该过程进行模拟，从计算结果可以看到流体从顶盖中部分逸出，表明射流具有很强的不稳定性。

Part 02

海洋环境保护与生态治理

海洋污染扩散预测

海洋污染扩散预测当发生原油泄漏、化工污染物排放等事故时，采用CFD技术结合海洋环流模型，可以计算仿真污染物在海流、波浪、风力作用下的扩散轨迹与浓度分布，为应急处置方案的制定提供科学依据。通用流体仿真软件VirtualFlow前处理IST 网格技术可自动识别流固边界、支持分块与局部加密，实现地形及建筑物的精细化网格分区；求解器具有丰富的多相流模型、多组分+化学反应模型，以及超大涡模拟（VLES）支持精准捕捉湍流扩散效应，保证流场稳定性与精度。以下为基于VirtualFlow软件进行29小时仿真监测原油泄露对海洋造成的污染扩散。

Part 03

船舶与海洋运输

LNG运输船液舱晃荡

LNG 运输船液舱晃荡是威胁运载安全的关键问题，其随机性强、流动性高，产生的冲击载荷易造成舱壁变形甚至破损。针对该问题常用的数值模拟方法有欧拉法（VOF 法、Level Set 法），VOF方法处理流动界面时依赖网格的细化程度，对复杂尖锐界面的模拟效果并不理想，但计算过程中满足质量守恒；Level Set方法处理复杂界面的能力强，其自由表面的追踪精度远高于VOF方法，但每一个时间步都要重新初始化LS函数，这会导致质量不守恒。

通用流体仿真软件VirtualFlow在算法上对Level Set方法进行优化，通过质量重新初始化方法对质量守恒进行修正，在捕捉液舱晃荡具有明显自由表面的界面流方面，具有独特优势。

将VirtualFlow液舱晃荡计算结果与晃荡标模实验进行对比，可以看到：液舱从静止开始晃荡，液舱内液体会随着液舱一起晃荡，VirtualFlow计算得到的液面变形与实验观察到的液面变形非常相近，优化后的Level Set方法可以有效捕捉自由液面的波形。

LNG运输船安全加热仿真

液化天然气温度极低，沸点是-162℃，LNG运输船要长时间维持-163℃的低温。船上的金属管道和连接件容易被低温损伤，导致天然气泄漏或蒸发。液化天然气易挥发、易燃易爆，少量泄漏时会很快扩散到大气中，不会有爆炸危险。但大量泄露时会与空气混合形成可燃性气云，浓度达到5-15%，遇点火源（最小点火能量为0.28mJ）就会发生闪火和蒸汽云爆炸等可怕事故。

基于VirtualFlow软件可进行气体蒸发建模和模拟，计算泄漏事故时隔热层在不同加热场景下的响应，进而研究并建立事故工况下的安全蒸发程序，有助于具有LNG运输船安全及结构优化设计分析。