内浮顶罐组油气泄漏扩散叠加效应的数值模拟与(2)
2 数值模拟方法
计算流体力学可以看做是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟,因此首先要建立基本控制方程,包括:连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程,风沿一定方向吹向内浮顶罐,会造成罐内油品扩散运移,需遵守组分输运方程,
标准k-ε湍流模型和Realizablek-ε湍流模型一般都适用于湍流充分发展的流动。Realizablek-ε湍流模型相比于标准k-ε湍流模型能更好地展现流动分离和旋涡,也比标准k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型能更准确地展现浓度分布[31]。本文选用Realizablek-ε湍流模型。
本文采用内浮顶罐为模型,特征长度取罐的直径,目前实验中由风速和直径计算出来的Re为(大气密度和动力黏度分别取1.205 kg/m3和1.81×10-5Pa·s),由于之前做过相应的调查研究,本模型缩小了1/32,模型风速需要达到原型风速的32倍显然不太可能,人们提出了Re无关性概念[32-34],即当Re大于某个值后,流动结构不再发生变化,此时的Reynolds 数被称之为临界Reynolds 数。当Re大于临界Reynolds 数时,可认为原型与模型的相似与Reynolds数无关。
(1)连续性方程
连续性方程也称为质量守恒方程,是流动问题必须要满足的基本定律。
式中,ρ为混合气的密度,kg/m3;xj分别对应x、y、z三个方向的运动;uj分别为x、y、z三个方向的速度分量,m/s。
(2)动量守恒方程
式中,p为绝对压力,Pa;μt为流体的动力黏度,Pa·s;ρa为空气的密度,kg/m3;gi为x、y、z三个方向的重力加速度分量,m/s2。
(3)能量守恒方程
式中,T为流体的温度,K;σC为湍流Schmidt数,通常取1.0;σT为湍流Prandtl数,通常取0.9~1.0;cp、cpa、cp分别是混合气体的比定压热容、空气的比定压热容和泄漏油气的比定压热容,J/(kg·K);ω为质量分数。
(4)组分输运方程
组分输运方程运用于存在质的交换的系统或存在多种化学组分的系统中。
式中,Dl是湍流扩散系数。
(5)湍流模型
其中,
式中,ρ为流体密度,kg/m3;μ为动力黏度,Pa·S;K为湍动能,m2/s2;ε为耗散率,m2/s2;PK为湍动能生成项;Gb为浮力生成项;YM为可压缩性修正项;v为运动黏度,m2/s;ωk为角速度,rad/s。对于流动方向与重力方向相同的剪切流动Cε3=1,对于流动方向与重力垂直的剪切流动Cε3=0。
计算域尺寸设置应同时考虑到计算时间和计算结果的准确性,如果计算域尺寸设置得太小,油罐附近的风场会与设计不符,从而使油气的扩散规律结果不准确;如果尺寸设置太大,会增加网格的数量,增加计算机的计算量,导致计算缓慢,耗费过多时间。本文将计算域选择三维计算,尺寸为15D×10D×5H(X×Z×Y,D为罐直径,H为罐总高度),模型及计算域如图4 所示。图4 中分别示意了单罐(A)、双罐(B1、B2)和四罐(C1~C4)排列方式。
3 实验验证
为了后续研究大型储罐的风速分布、浓度分布,需要先对小罐的模拟结果进行实验验证,以此来判断该模拟的模型和方法是否可行,模拟所用的罐模型与实际所用的罐模型尺寸一致。
图4 几何模型及计算域Fig.4 Geometric model and computational domain
测定浮盘中心垂直风向的风速与浓度,并与模拟结果进行对比,结果如图5 和图6 所示。其中,风速数值产生的偏差主要是由于实验测量误差,风速仪的探头进入罐内将会对流场产生一定的影响,浓度的偏差主要是由于取样器抽取气体时,会破坏周围的一些浓度场,若取样袋清洗不干净也会对结果产生影响,但两者总体变化趋势基本一致,证明该模型的构建和数值模拟的参数设置正确。
4 结果与分析
图5 风速分布的模拟与实验值对比Fig.5 Comparison of simulated and experimental values of wind speed distribution
图6 浓度分布的模拟与实验值对比Fig.6 Comparison of simulated and experimental values of concentration distribution
流场的入口边界设置为速度进口边界条件,环境风速按指数分布规律,通过UDF 导入,风速沿X轴方向,出口设置为压力出口边界条件,浮盘缝隙设置为质量流率边界条件,质量流率数值为实验测定,罐壁、浮盘和地面设为无滑移边界条件,环境温度设为13℃,得到不同罐型的风场和浓度场分布。
4.1 风速分布
图7 为风速4 m/s 时单罐的X轴风速等值云图,可以看出,在储罐的迎风侧,由于储罐的阻挡风速逐渐减小,在迎风侧的罐壁处接近于0,紧贴罐壁部分由上至下均有一层浅蓝色的区域,是由于风撞击到罐壁面后产生的逆风向气流。垂直方向由于地面粗糙度的影响,近地面风速较小,距离罐偏远位置,气窗高度的风速约为4 m/s。
文章来源:《油气储运》 网址: http://www.yqcyzz.cn/qikandaodu/2021/0329/401.html
上一篇:西昌盆地喜德构造奥陶系大箐组油气前景分析
下一篇:油气储运管道防腐技术的应用方法