数值仿真在石油院校实验教学中的应用

杨文东， 张如林， 黄思凝， 张 玉

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)



·虚拟仿真实验(29)·

数值仿真在石油院校实验教学中的应用

杨文东， 张如林， 黄思凝， 张 玉

(中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

本文探讨了传统石油行业中土木工程实验课程教学手段的局限性，利用数值计算进行了地面原油储罐、盐岩地下储气库和水封地下石油洞库的仿真模拟教学，实现了复杂实验的可视化、可重复性。该内容已在石油大学“土木工程软件分析与应用”课程中进行了2年的实践教学，取得了良好的教学效果，对完善实验辅助教学手段具有重要意义。

试验教学； 土木工程； 数值仿真； 教学改进

0 引 言

石油行业中涉及很多土木工程问题，比如大型储罐在地震波作用下的响应、海底输油管线与土体相互作用、地下水封油库围岩的变形与渗透问题等。作为石油行业院校的土木工程专业，我们在研究生培养中除了常规的土木工程的研究方向外，也侧重于与石油相关的土木工程问题的解决。随着计算机的发展，计算机辅助教学手段逐步发展[1-3]。

以石油大学土木工程实验教学为例利用数值仿真方法对土木工程原油储罐抗震实验与地下盐岩储库注采气等相关实验进行辅助教学，提高了学生参与教学活动的主动性、创造性，并加深了对专业知识的理解。

1 传统教学手段的局限性

目前，土木工程领域工程问题的研究手段主要有3种：①把工程问题简化为力学或数学问题，推导精确的理论解，该方法适用于条件比较简单的情况，对于复杂问题难于求解，如瓦斯爆炸、大型边坡失稳、混凝土桥梁或大坝开裂破坏、隧道塌方等大型工程结构的破坏问题，往往难以建立完整的解析理论模型；②通过模型试验或现场试验的方法，然而，物理模型试验不仅成本高、周期长，而且模型参数难以在有限个物理模型中调整，而且现场试验的运行成本高昂；③数值试验与数值仿真的方法。利用计算机仿真技术对工程结构的变形和破裂进行分析，具有通用性强、方便灵活、可重复性等特点，而且可以通过数值试验得到许多在常规实验室试验中难以观测的重要信息。数值试验已成为土木工程物理实验教学的重要补充手段[4-13]。

传统土木工程实验课程的教学大多以室内物理试验、模型试验和现场试验为主。室内物理试验仅能用于测定简单的力学参数，无法反映工程现场岩体的参数。模型试验则是把工程结构以一定的比例尺缩小到实验室尺度，通过施加等效的荷载条件与边界条件，用监测的试验数据反推实际工程的变形和应力情况。模型试验的造价一般很高，有的高达几百万甚至上千万元，试验周期也很长，并且可重复性较差，一旦考虑不周导致试验失败，损失也是很大的。数值试验与数值仿真则是利用计算机，真实模拟工程情况，可以形象地展示工程结构的变形和破坏规律。并且应用范围比较广、可重复性好、对于复杂问题也可以处理。因此，数值仿真方法是辅助教学的有效手段。

2 数值仿真技术

数值计算方法主要分为基于连续介质的数值方法和基于非连续介质的数值方法。连续介质的数值方法主要有：有限元法(FEM)、有限差分法(FDM)、无网格法(MESHLESS)、边界元法(DEM)等，其中有限元法的应用最为广泛。非连续介质的数值方法主要有：非连续介质力学分析方法(DDA)、离散元法(DEM)等。

不同的数值方法适用于不同的工程情况。如要分析贯通裂隙岩体的变形和破坏情况，则用DDA或DEM方法比较合适；岩体非线性连续大变形问题可以采用FDM来研究；岩体非线性破坏运动问题可以利用FEM法来研究等。必要的时候应采用多种方法或软件来相互验证。

3 数值仿真在实验教学中的应用

3.1 地震作用下原油储罐仿真

储罐及其基础在运营期间的稳定性至关重要，一旦储罐失稳或发生爆炸将造成巨大的经济损失并造成严重的安全隐患。地基不均匀沉降变形过大也会引起浮顶式的原油储罐卡顶现象，即由于罐壁倾斜使浮顶卡在一定高度无法上升，从而使储罐的存储能力大大减小，影响储罐的正常运营。因此，通过对储罐在不同工况下的数值仿真教学，可以模拟其在动、静力作用下的变形和应力分布情况，为储罐的设计、施工、运营和维护提供指导，使学生较直观地掌握相关问题。

如图1是一个原油储罐的有限元模型，图2显示了储罐在地震波作用下储罐内液面的晃动情况。由此可见，通过数值模拟与数值试验能形象生动的展现储罐在施工和运营过程中的变形和受力特征，由图2可观察到在地震波作用下储罐内液面晃动的情况，从而很好地帮助学生理解相关力学问题。并且学生可以自己设计若干工况，进行计算比较，观察计算结果的差异，从而对设计参数有更深的理解和把握。但是，若通过物理模型实验，则耗资巨大且实验周期长，很难取得很好的效果。进行现场观测更是难以实现，一方面实际工程不允许储罐破坏，另一方面地震波在实际工程中也难以模拟。可见，数值仿真与数值试验可以很好地用于大型结构工程的计算与设计，在学生的实验教学中起到很好的辅助教学作用。

图1 储罐有限元模型

图2 地震波内液面作用下储罐晃动

3.2 盐岩地下储气库仿真

盐岩地下储气库作为一种能源地下储存方式，与其它方式相比具有占地面积小、储量大、注采高效灵活等优点。利用盐穴进行油气地下储备是国际上首选的储备方式，我国将规划在江苏金坛建成大型密集储气库群。对于地下盐岩储库在注采气运行期间的稳定性问题可以通过地质力学模型试验来研究，但是周期很长，造价高[14]。在教学环节中学生一般只能参加其中的某些环节，而通过数值仿真则能使学生形象地观察到储库运行过程中围岩的变形与塑性区开展的情况，增加学生对该问题的认识与兴趣。图3为含夹层盐岩地下储库网格模型。图4为盐岩储库围岩破坏接近度分布云图。图5为盐岩储库围岩塑性区分布。

图3 含夹层地下盐岩 储库网格模型

图4 盐岩储库破坏围岩 接近度分布云图

由图4盐岩储库围岩破坏接近度分布云图，蓝色代表储库围岩的破坏程度较小，红色代表围岩的破坏程度较大，整个储库围岩由蓝色至红逐渐变化表明不同部位的围岩临近破坏的程度越来越大，即越来越危险。由图4可以直观地观察到围岩不同部位的破坏程度或临近破坏的程度。由图5可以观察到盐岩储库围岩塑性区分布，即进入塑性的单元的分布，较为形象直观。通过相关仿真模拟让学生深入了解地下储气库注采气运营过程中造成的围岩变形与油气渗透运移规律，加深对盐岩蠕变体积收缩、引发地表沉陷、洞室片帮破坏的认识。

图5 盐岩储库围岩塑性区分布

对于油气储库相关知识的教学，一般比较抽象，难于理解。真实的储库都位于地下，难以观察到，并且由于军事保密，一般难于实现现场教学。因此，利用数值仿真，可以进行多工况多因素影响条件下的模拟，实现现场教学和物理模型试验难以完成的教学效果。

3.3 水封地下油库仿真

地下水封石油洞库是利用饱水岩体密封性进行石油储存的方式，具有水位高、不衬砌、洞室密度大等特点，且对安全性要求高。目前国内首个大型地下原油储备库建设项目正在建设实施[15]。由于其保密性，学生现场参观也不便利，因此该内容的教学也可以借助于数值仿真，进行地下洞室的施工过程力学与渗透性分析的教学，使学生了解不同的施工顺序将导致不同的围岩变形、塑性区与渗透性。图6为洞库开挖完毕后周围孔隙水压力分布图。

图6 洞库开挖完毕后周围孔隙水压力分布图

由图6的洞库开挖完毕后周围孔隙水压力分布图，学生可以观察洞库的水压力分布规律，而这通过现场观测和物理模型试验都是难以完成的。现场观测需要埋设很多测试仪器，并在地下洞库内进行监测，存在一定的危险性，一般由专业的工程技术人员完成操作，因此不适宜学生现场学习。而物理模型试验也需要充足的前期准备工作，包括设计与加工加载系统、模型框架、变形与应力采集系统、水压加载系统等，且需要试验过程中周密布署，考虑周全，一旦有一些小疏忽，可能导致整个试验失败，从而浪费时间和巨额试验经费。由此，再一次表明数值仿真是大型土木工程课程教学和实验教学的重要手段。

4 结 语

数值仿真已成为土木工程课程教学与科研的重要手段，是实验教学与工程实践的重要补充。作为石油院校的土木工程专业，在教学中尝试结合石油行业中的土木问题开展数值仿真教学，形象真观，提高了学生的学习兴趣，并具有可重复性的优点。克服了模型试验造价高、周期长的缺陷，也避免了现场试验由于工程原因难于进行的问题。该教学内容在石油大学研究生课程“土木工程软件分析与应用”的教学中取得了较好的效果，提高了学生们的创新实践能力。

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Numerical Simulation in Experiment Teaching of Petroleum Colleges

YANGWen-dong，ZHANGRu-lin，HUANGSi-ning，ZHANGYu

(College of Pipeline and Civil Engineering，China University of Petroleum，Qingdao 266580， China)

The limitations of the traditional experiment teaching methods of civil engineering in petroleum industry were discussed, and numerical simulations of the oil storage tanks on ground, underground gas storage cavern in salt rock and large water-sealed underground oil storage caverns were carried out in this paper. The simulation experiment realized the visualization and repeatability of many complex tests. This content has been carried out for 2 years in the practice of teaching for course of "Civil Engineering Software Analysis and Applications" in China University of Petroleum, and achieved good teaching results and had significance for perfecting the experiment aided teaching means.

experiment teaching； civil engineering； numerical simulation； teaching improvement

2015-04-22

国家自然科学基金(51309238)；山东省博士基金(BS2013NJ010)；山东省研究生教育创新计划(SDYC13043)；中国石油大学(华东)研究生教育研究与教学改革重点项目(YJ-A1408)；中国石油大学(华东)硕士点建设项目(XWS130005)

杨文东(1982-)，男，山东潍坊人，博士，讲师，主要从事岩土工程数值模拟方面的教学研究。

Tel.：15376713557；E-mail: wendongy@gmail.com

TU 45

A

1006-7167(2016)01-0058-03