金俊卿 鄭云萍

西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500

0 前言

油氣儲運(yùn)工程是連接油氣生產(chǎn)、加工、分配、銷售諸環(huán)節(jié)的紐帶，主要包括油氣田集輸、長距離輸送管道、儲存與裝卸及城市輸配系統(tǒng)等。 近年來，油氣儲運(yùn)工程得到了高速發(fā)展，中國已經(jīng)啟動國家油氣儲備計(jì)劃，正在更快更好地建設(shè)中國油氣儲運(yùn)管網(wǎng)。 隨著油氣儲運(yùn)行業(yè)的迅速發(fā)展，單純使用理論和試驗(yàn)研究已不能滿足發(fā)展的需要，必須采用相應(yīng)的模型研究油氣儲運(yùn)工程領(lǐng)域各個(gè)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題，有針對性地采取措施，避免發(fā)生安全事故，減少資源浪費(fèi)。 在現(xiàn)代石油工業(yè)高性能、低造價(jià)、可操作性強(qiáng)的要求下，利用FLUENT 軟件模擬相關(guān)流體問題，能夠有針對性地采取措施，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，推動油氣儲運(yùn)行業(yè)的發(fā)展。

計(jì)算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）是流體力學(xué)的一個(gè)分支，通過計(jì)算機(jī)模擬獲得某種流體在特定條件下的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)用計(jì)算機(jī)代替試驗(yàn)裝置完成“計(jì)算試驗(yàn)”，為工程技術(shù)人員提供實(shí)際工況模擬仿真的操作平臺。 FLUENT 是通用CFD 軟件包，用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動以及熱傳導(dǎo)，可實(shí)現(xiàn)對多種復(fù)雜物理?xiàng)l件下流場真實(shí)和全域的模擬。 由于其成本低、周期短、計(jì)算精度高、與實(shí)際吻合度高的特點(diǎn)，在實(shí)驗(yàn)研究和商業(yè)應(yīng)用中具有重要的指導(dǎo)作用， 故應(yīng)用越來越廣泛［1］。

1 概述

計(jì)算流體動力學(xué)是近現(xiàn)代流體動力學(xué)的一個(gè)重要分支，F(xiàn)LUENT 軟件的設(shè)計(jì)基于“CFD 軟件群”思想［2］，可針對各種不同流動的特點(diǎn)，采用最佳的數(shù)值解法，準(zhǔn)確模擬流動、傳熱和化學(xué)反應(yīng)等物理現(xiàn)象。

FLUENT 軟件主要用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動和傳熱現(xiàn)象，有靈活的網(wǎng)格特性，可以支持多種網(wǎng)格，凡與流體、熱傳遞和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的工業(yè)均可使用。 用戶可以自由選擇使用非結(jié)構(gòu)化或者結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來劃分復(fù)雜的集合區(qū)域，也可以利用FLUENT 軟件提供的網(wǎng)格自適應(yīng)特性在求解過程中根據(jù)所獲得的計(jì)算結(jié)果來優(yōu)化網(wǎng)格。從用戶需求角度出發(fā)，F(xiàn)LUENT 軟件容易上手，針對各種復(fù)雜流動的物理現(xiàn)象，采用不同的離散格式和數(shù)值方法，在特定領(lǐng)域內(nèi)使計(jì)算速度、穩(wěn)定性和精度等達(dá)到最佳組合，高效地解決油氣儲運(yùn)工程領(lǐng)域的復(fù)雜流動計(jì)算問題［3-4］。

FLUENT 軟件同傳統(tǒng)的CFD 計(jì)算方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

a） 穩(wěn)定性好。 經(jīng)大量實(shí)例驗(yàn)證，F(xiàn)LUENT 軟件的模擬結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度高。

b）運(yùn)算精度高，具有二階計(jì)算精度。

c）適用范圍廣。 FLUENT 軟件提供了非耦合隱式算法、耦合顯式算法和耦合隱式算法三種數(shù)值算法。 含有先進(jìn)的物理模型，可應(yīng)用于湍流、多相流、熱傳導(dǎo)、燃燒、化學(xué)反應(yīng)等幾乎所有與流體相關(guān)的領(lǐng)域。

d）高效省時(shí)。 FLUENT 軟件將不同領(lǐng)域的計(jì)算軟件組合起來，采用統(tǒng)一的前后處理工具，節(jié)省了時(shí)間。

e）先進(jìn)的動/變形網(wǎng)格技術(shù)。 用戶只需折定初始網(wǎng)格和運(yùn)動壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動生成。 可用于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、變形較大問題以及物體運(yùn)動規(guī)律事先不知道而完全流動所產(chǎn)生的力所決定的問題。

f）強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力。 FLUENT 軟件支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格、 混合網(wǎng)格、 動/變形網(wǎng)格以及滑動網(wǎng)格等。FLUENT 軟件還擁有多種基于解的網(wǎng)格自適應(yīng)、動態(tài)自適應(yīng)以及動網(wǎng)格與網(wǎng)格動態(tài)自適應(yīng)相結(jié)合的技術(shù)［4］。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場數(shù)值模擬

利用FLUENT 軟件對旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值模擬，將不同湍流模型、不同離散方式、不同內(nèi)部結(jié)構(gòu)（進(jìn)口角度、進(jìn)料管結(jié)構(gòu)、圓筒段結(jié)構(gòu)等）的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，確定出最合適的分離器內(nèi)部流場，為分離器的進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

魏新利等人［5］采用FLUENT 軟件中的k-ε 標(biāo)準(zhǔn)模型、RNG k-ε 模型和RSM 模型對旋風(fēng)分離器內(nèi)部流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較得出最適合旋風(fēng)分離器的數(shù)值解法：湍流模型采用各向異性的RSM 模型，離散方式采用對流項(xiàng)的QUICK 格式和壓力梯度項(xiàng)的PRESTO 格式。

郭廣東等人［6］研究了三相旋流器結(jié)構(gòu)參數(shù)和分離效率之間的關(guān)系，通過改變?nèi)嘈髌鞯膬?nèi)部結(jié)構(gòu)，借助FLUENT 軟件研究內(nèi)部流場的變化情況， 確定出提高旋流器分離性能的方法。 而張建等人［7］采用FLUENT 軟件對三種排塵口直徑不同的旋風(fēng)分離器以及長錐型旋風(fēng)分離器中的氣相流動規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬， 結(jié)果表明，隨著排塵口直徑減小，分離性能有所提高。

2.2 管道停輸溫降數(shù)值模擬

在管道運(yùn)行過程中，停輸是不可避免的。 掌握其溫降規(guī)律對確定安全停輸時(shí)間、再啟動方案和停輸檢修安排具有指導(dǎo)意義。 此類散熱問題可以采用數(shù)值解法（主要為有限元法和有限體積法），通過控制網(wǎng)格的劃分，計(jì)算可得到較高精度的解。

張煜等人［8］分析了不同位置、不同初始溫度、不同管徑條件下的熱油管道停輸降溫變化過程， 通過FLUENT軟件模擬發(fā)現(xiàn)，溫降過程分三階段，第一階段自然對流導(dǎo)致溫降速度最快；第二階段原油黏度增大，溫降曲線平緩；第三階段依賴導(dǎo)熱傳熱，管內(nèi)溫降速率較快，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相符。

王常斌等人［9］運(yùn)用FLUENT 軟件在三維直角坐標(biāo)系中建立了埋地?zé)嵊凸艿赖奈锢砟Ｐ停?對不同傳熱系數(shù)、不同流速以及非穩(wěn)態(tài)環(huán)境的熱油管道進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到熱油管道軸向溫度分布圖，分析了管道總傳熱系數(shù)和流速對溫度變化的影響。 模擬結(jié)果較好地反映了埋地?zé)嵊凸艿姥鼐€溫度下降的基本特征，為實(shí)際生產(chǎn)管理提供了科學(xué)依據(jù)，對指導(dǎo)油田的輸油生產(chǎn)、管道安全性和節(jié)能降耗具有重要意義。

杜明俊等人［10］使用FLUENT 軟件研究多年凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿劳］敎亟祮栴}。 針對多年凍土區(qū)埋地?zé)嵊凸艿肋\(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn)，對不同季節(jié)管內(nèi)原油的溫降和土壤溫度場進(jìn)行了仿真分析， 模擬了管道原油凝固過程，確定合理的停輸時(shí)間。

2.3 順序輸送混油數(shù)值模擬

成品油常采用順序輸送的運(yùn)輸方式，其中混油處理是研究順序輸送的難點(diǎn)之一［11］。 由于影響混油濃度的因素很多，因此混油界面在管道內(nèi)運(yùn)動復(fù)雜，使常規(guī)混油量計(jì)算公式的應(yīng)用具有一定局限性。 數(shù)值模擬因具備對復(fù)雜流動傳熱邊界條件進(jìn)行分析、求解的能力，近年來已被用于解決順序輸送混油問題。

趙海燕［12］應(yīng)用FLUENT 軟件模擬研究了順序輸送混油的問題。 以質(zhì)量輸送方程為基礎(chǔ)，使用壁面函數(shù)法處理固壁邊界，綜合分析了油品輸送速度、輸送次序、停輸、盲支管以及90°彎管等各種工況對混油的影響，模擬結(jié)果和理論分析對比基本吻合，為進(jìn)一步研究成品油順序運(yùn)輸提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

杜明俊等人［13］利用FLUENT 軟件模擬了冷熱原油順序輸送過程中混油濃度情況。 采用有限容積法建立了順序輸送混油數(shù)學(xué)模型，分析了不同輸送順序、不同溫度、不同速度對混油濃度的影響，研究結(jié)果為工程設(shè)計(jì)與管理提供了理論指導(dǎo)。

2.4 天然氣管道泄漏擴(kuò)散數(shù)值模擬

天然氣在管道運(yùn)行的過程中會受到內(nèi)外因素的干擾，最終導(dǎo)致管道破裂而發(fā)生泄漏。 天然氣泄漏不但導(dǎo)致能源浪費(fèi)，而且會形成中毒、燃燒爆炸危險(xiǎn)區(qū)，當(dāng)遇到火源或達(dá)到一定濃度就會發(fā)生燃燒或爆炸，造成經(jīng)濟(jì)損失。研究管輸天然氣泄漏擴(kuò)散規(guī)律可迅速預(yù)測天然氣泄漏后的擴(kuò)散及危險(xiǎn)范圍，避免不必要的能源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

李自力等人［14］利用FLUENT 軟件對山地條件下天然氣泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬，并編寫UDF 程序?qū)胲浖︼L(fēng)速進(jìn)行修正。 考慮天然氣向下噴射情況，給出了在不同風(fēng)速條件下天然氣向下噴射時(shí)的爆炸下限濃度和警戒濃度范圍， 將結(jié)果與氣體向上噴射情況對比，得出孔口向下噴射時(shí)，氣體積聚在近地面不易擴(kuò)散，比孔口向上噴射時(shí)更危險(xiǎn)。

胡夏琦［15］采用FLUENT 軟件模擬含H2S 高壓天然氣管道泄漏情況， 研究了含H2S 的高壓天然氣管道泄漏時(shí)天然氣的擴(kuò)散規(guī)律。 模擬結(jié)果表明，擴(kuò)散時(shí)，安全空間隨H2S 濃度的增大而減小， 說明含H2S 天然氣比只含甲烷的天然氣更危險(xiǎn)。

朱紅鈞等人［16］借助FLUENT 軟件對平坦地區(qū)含硫天然氣集輸管道的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了仿真研究，對比分析了泄漏率、壓力和濃度在靜風(fēng)和有風(fēng)條件下的分布規(guī)律及危險(xiǎn)區(qū)大小，為管道的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行和緊急救援提供參考。

2.5 LNG 技術(shù)方面數(shù)值模擬

LNG 作為一種清潔、高效的能源越來越受到各國的青睞［17］。 為推動該領(lǐng)域的發(fā)展，很多研究者以數(shù)學(xué)模型為載體，利用FLUENT 軟件研究LNG 泄漏、分層、翻滾和蒸發(fā)等問題，取得了一定的成果。

Gavelli F 等人［18-19］借助FLUENT 軟件模擬LNG 泄漏后周圍復(fù)雜環(huán)境的情況， 以Falcon 系列測試為理論模型，準(zhǔn)確地預(yù)測了LNG 低溫泄漏行為。

1980 年在加利福尼亞的China Lake 進(jìn)行了LNG 系列實(shí)驗(yàn)，黃琴等人［20］以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用FLUENT軟件對LNG 泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了模擬，將不同點(diǎn)的模擬結(jié)果同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。 結(jié)果表明，由于實(shí)驗(yàn)過程中風(fēng)速和風(fēng)向的影響，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異，但溫度和濃度的變化趨勢與實(shí)驗(yàn)值基本吻合。

喬國發(fā)［21］運(yùn)用FLUENT 軟件對紊流態(tài)LNG 分層和翻滾情況進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，觀察到LNG 分層和翻滾的演變過程大致分為四個(gè)階段。同時(shí)發(fā)現(xiàn)LNG 翻滾現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是LNG 分層的存在，LNG 分層產(chǎn)生翻滾的直接原因是熱邊界層的流動。 對模擬結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，二者基本吻合。

2.6 油罐問題的數(shù)值模擬

隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展以及原油戰(zhàn)略儲備的要求，油罐已成為常用的石油儲備設(shè)施。 但作為一種大型壓力容器，容易發(fā)生爆炸事故，造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，后果往往是災(zāi)難性的［22］。 很多研究者利用FLUENT 軟件研究油罐滲漏、罐內(nèi)原油溫降以及油罐的爆炸行為，為油罐的安全設(shè)計(jì)提供理論借鑒。

萬春利等人［23］借助FLUENT 軟件模擬了大型浮頂罐內(nèi)原油的溫降情況，具體研究了自然冷卻條件下油罐內(nèi)溫度和速度的變化機(jī)理，得到了分布云圖。 將模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測數(shù)據(jù)對比，二者吻合度很高，相對誤差＜3%。

鄭志偉等人［24］運(yùn)用FLUENT 軟件的多孔介質(zhì)模型模擬了立式油罐底部漏油滲流場的分布，研究了影響滲流場分布的相關(guān)原因，為油罐滲漏探測方法的研究及油品污染情況的評估提供了參考。

高建豐等人［25］借助FLUENT 軟件對油罐內(nèi)油氣混合物爆炸情況進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。 在一個(gè)模擬油罐中進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，建立數(shù)學(xué)模型，得到相應(yīng)的模擬結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)值和模擬值進(jìn)行對比得到：油罐內(nèi)油氣混合物爆炸強(qiáng)度與罐內(nèi)初始溫度、油氣體積分?jǐn)?shù)等因素有關(guān)。

3 存在的問題

FLUENT 軟件在油氣儲運(yùn)工程領(lǐng)域的應(yīng)用還存在不足之處。 首先，F(xiàn)LUENT 軟件采用有限體積法，在計(jì)算過程中為了加快收斂速度，采取了交錯(cuò)網(wǎng)格，會降低計(jì)算精度。

其次，應(yīng)用FLUENT 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)際上是一種離散近似的計(jì)算方法，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果有一定偏差，結(jié)果不能提供任何形式的解析表達(dá)式，只能得到有限個(gè)離散點(diǎn)的數(shù)值解。

另外，F(xiàn)LUENT 軟件均配有各種湍流模型，包括方程模型、k-ε 模型、RSM 模型、LES 模型等。但這些模型的使用不是通用的，是有一定條件的。 例如：標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型只適合完全湍流的流動過程模擬；RNG k-ε 模型主要針對高雷諾數(shù)流動問題，對低雷諾數(shù)問題則要進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置；RSM 模型也屬于高雷諾數(shù)湍流計(jì)算模型， 在固體壁面附近，由于分子黏性作用，湍流脈動受到阻尼，雷諾數(shù)很小，RSM 模型不再適用。

4 發(fā)展趨勢

FLUENT 軟件在油氣儲運(yùn)工程領(lǐng)域的應(yīng)用已逐步展開，數(shù)值模擬同試驗(yàn)研究相比，有獨(dú)特的優(yōu)勢：成本低，計(jì)算快捷、方便，能夠獲得完整數(shù)據(jù)，無實(shí)驗(yàn)儀器干擾，能提供各個(gè)狀態(tài)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以部分替代惡劣工況和復(fù)雜邊界條件下的常規(guī)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)，具有一定的應(yīng)用潛力。 因此，F(xiàn)LUENT 軟件有很大的發(fā)展前景：

a）油氣儲運(yùn)工程領(lǐng)域是一個(gè)多學(xué)科綜合性領(lǐng)域，對該領(lǐng)域的模擬需要涉及多方面工作，要求研究者除了具有儲運(yùn)專業(yè)知識外，還應(yīng)具有扎實(shí)的數(shù)學(xué)功底和計(jì)算機(jī)應(yīng)用知識，同時(shí)對流體力學(xué)理論也有深刻的認(rèn)識。

b）綜合應(yīng)用數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果，用數(shù)值模擬指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究方向， 用實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證數(shù)值模擬，為實(shí)際工程提供更有力的設(shè)計(jì)依據(jù)。

c） 充分利用FLUENT 軟件的自定義函數(shù) （UDF）功能，對FLUENT 軟件進(jìn)行二次開發(fā)應(yīng)用，這將為FLUENT軟件提供一種更有效的使用方法，也為FLUENT 軟件的更廣泛使用提供了新思路。

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