基于FLUENT的氣罐泄漏仿真在油氣安全中的應用_圖文

1、基于FLUENT的氣罐泄漏仿真在油氣安全中的應用楊毅峰,樊建春,張來斌(中國石油大學安全工程實驗室,北京102249摘要:近年來,油氣田地面裝置、煉油廠、化工廠中的爆炸、火災、中毒等事故頻發(fā),這些事故大多源于各種油品或其他化工介質的非正常泄漏.因此,對于介質泄漏后在環(huán)境因素影響下擴散規(guī)律的研究就顯得非常重要.本文采用目前流行的流體計算軟件Fluent,針對氣罐泄漏進行流體泄漏數值仿真,對于指導安全評估、規(guī)避風險及防災避災有重要的意義.關鍵詞:氣罐;泄漏;Gambit建模;Fluent;流體動力學仿真計算中圖分類號:TP391.9文獻標識碼:A文章編號:1673-014304-0065-040引

2、言氣罐80%以上的事故起因于介質泄漏.在傳統(tǒng)石油化工領域,關于泄漏的模擬和仿真計算大多是基于經驗公式,計算誤差較大.Fluent流體計算軟件,針對所研究的特定空間進行建模和網格劃分,根據質量守恒、動能守恒和動量守恒等理論進行較準確的模擬仿真和圖形圖像顯示.這對于數字化分析現場各種因素,進行安全評估,確定危險區(qū)域,制定搶救措施和事故救援都具有重要的指導作用.1氣罐泄漏Fluent幾何模型和數學模型的建立(1利用Fluent前處理軟件GAMBIT建立欲求解問題的幾何模型.GAMBIT目前是CFD(computation fluid dyna-mics分析中最好的前置處理器,它包括先進的幾何建模和網

3、格劃分方法.借助功能靈活、完全集成和易于操作的界面,GAMBIT可以顯著減少CFD應用中的前置處理時間.復雜的模型可直接采用GAMBIT固有幾何模塊生成,或由CAD/CAE 構型系統(tǒng)輸入.GAMBIT高度自動化的網格生成工具保證了最佳的網格生成,如結構化的、非結構化的、多塊的或混合網格.(2氣罐泄漏過程僅涉及泄漏,沒有發(fā)生燃燒或者爆炸,Fluent中定義數學模型為“組分輸運和反應模型”.組分輸運方程:Fluent通過第i種物質的對流擴散方程預估每種物質的質量分數Y i.守恒方程采用以下的通用形式 :tY i Y i氣體密度;1(N為系統(tǒng)內部物質組分總數,此處除去空氣中氮氣種組分,分別代入該方程

4、得到N1個未知數,N1個已解得的質量分數得到.為了使數值誤差最小,第N種物質必須選擇質量分數最大的物質,比如空氣中的N2. 層流中的質量擴散:Y i.(2D i,m混合物中i組分的擴散相關系數.湍流中的質量擴散:收稿日期:2006-03-20作者簡介:楊毅峰(197166江漢大學學報(自然科學版總第34卷D i,m +t湍流速度;D i,m混合物中第i種物質的擴散系數.能量方程中物質輸運的處理:對于多組分 的混合流體,物質擴散導致了焓的傳遞.(4由于物質的擴散對焓場有重要的影響,因此不應該被忽略,特別是各個組分的Lewis(雷諾數遠離1時,忽略它的影響會導致很大的誤差.Le i=kc p D

5、i,m.(5k物質的熱傳導率;c p物質的定壓比熱.這些方程是FLUENT求解氣體泄漏問題的數學理論依據.2氣罐泄漏的Fluent解決方法2.1建立球罐模型以某化工廠球罐泄漏為例子說明.如圖1所罐的幾何模型:直 徑10mm孔洞位于罐壁赤道線法線方向(即X正方向.外部矩形計算域(X向長80m;Y向長40m;Z向長40m,內部球形區(qū)域是球罐,其中心距離左側入口邊界20m.由已知條件泄漏問題為單相流泄漏.2.2網格劃分與檢查氣體泄漏后的計算域是大六面體空間刨除中間的球罐所占空間,優(yōu)質的空間網格劃分可以增加計算速度,節(jié)省計算時間.網格劃分完成后要進行質量檢查,看網格劃分是否合格,網格劃分越好計算精度越

6、高.2.3邊界條件設定(圖2(1速度(絕對速度入口:air_inlet3m/s(2壓力(表壓出口:pressure_out-front0Mpapressure_out-left0Mpapressure_out-right0Mpapressure_out-up0Mpa(3壓力(表壓入口:pressure_out-inside10Mpa2.4選擇離散式求解器,隱式求解,時間選擇為非穩(wěn)態(tài)根據方程組進行迭代計算,檢查各參數殘差滿足收斂條件,氣罐計算模型收斂有解.3氣罐泄漏Fluent的可視化求解方程組收斂后,應用Fluent的圖形演示功能可以形象地研究所計算域中各種物質運動分布規(guī)律.3.1由粒子ID(

7、種類顏色來表示的粒子跡線圖如圖3所示,風向沿X軸正向,由跡線圖清晰的看到泄漏口附近的甲烷跡線,甲烷噴射流初 始段勢流核和剪切層對其周圍的空氣形成了較強pressure_outlet(front left right upwall_fieldpressure_inlet-insideair_inlet圖2 邊界條件模型圖3由計算域粒子ID顏色表示泄漏后的跡線圖2006年第4期楊毅峰10 ,在泄漏孔中心最大速度為1830m/s ,為超音速泄漏. 由容器內壁流到外壁過程中氣流速度由超音速迅速變?yōu)閬喴羲?超音速部分在計算域中占的比例極小,這與經典泄漏理論氣體泄漏速度不會超過當地音速基本上是一致的. 3

8、.4甲烷的爆炸上限為5%,下限為15%兩爆炸極限等高線圖和甲烷擴散最外層等高線疊加后放大如圖6,甲烷爆炸極限(體積百分比為5%15%,所以此區(qū)域為易爆區(qū),搶修罐體時此區(qū)域禁止有任何火源和黑金屬撞擊存在.3.5氣罐泄漏的Fluent 求解結果與經驗公式對比(1對于這種典型的氣體泄漏過程可以視為絕熱過程,根據伯努利方程可以推導出如下的經驗公式:Q =C dpA+1.(6Q 氣體泄漏流量,kg/s ;C d 排放系數,通常取1(圓形泄漏口;A 泄漏口面積,m 2;p 容器內氣體壓力,1114575Pa ;p 0環(huán)境壓力,101325Pa;m ol;T 容器內氣體溫度,298K.根據已知條件有:p =

9、1114575Pa ,p 0=101325Pa,31.307+11圖4由甲烷百分含量的顏色表示的速度矢量圖圖5局部放大的速度矢量圖圖6爆炸極限等高線疊加圖7壓力入口流量報告68江漢大學學報(自然科學版總第34卷到動量守恒、湍流中的質量擴散和焓變等因素的影響.經驗公式把氣體泄漏理想化為絕熱過程,沒有與外界的能量交換.經驗公式沒有充分考慮現場空間情況比如風速、罐體大小、形狀、空間相對位置等諸多因素對于計算結果的影響.因此,經驗公式計算結果誤差較大.4結論應用Fluent軟件對氣罐泄漏問題進行科學的計算,可以比較準確地計算出氣罐泄漏發(fā)生后物質的泄漏形態(tài)、速度、濃度等各種屬性數值及其泄漏后對周圍環(huán)境的

10、影響范圍.另外,可以根據爆炸極限的包絡面的運動情況對環(huán)境危險程度進行評估和分區(qū).應用Fluent軟件為泄漏過程制作動畫,可以更形象地觀察介質泄漏過程.這些對于指導油氣田地面裝置、煉油廠、化工廠、油庫和儲氣加氣站等有效地防災避災,制定科學的避災抗災策略都具有重要的現實意義和深遠的指導意義.參考文獻:M.Cavendish:Fluent Incorporated,2003.M.Cavendish:Fluent Incorporated,2003.2M.Cavendish:Fluent Incorporated,2003.M.Cavendish:Fluent Incorporated,2003.M.

11、Cavendish:Fluent Incorporated,2003.M.Cavendish:Fluent Incorporated,2003.M.Cavendish:Fluent Incorporated,2003.M.Cavendish:Fluent Incorporated,2003.9韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用M.北京:北京理工大學出版社,2004.10孔瓏.工程流體力學M.北京:中國電力出版社,2004.11袁思熙.工程流體力學M.北京:石油工業(yè)出版社,2003.12齊鄂榮,曾玉紅.工程流體力學M.武漢:武漢大學出版社,2005.13董志勇.射流力學

12、M.北京:科學出版社,2005.14劉詩飛,詹予忠.重大危險辨識及危害后果分析M.北京:北京理工大學出版社,2004.Application of Gas Tank Leaking Simulation Based on Fluent inOil-gas SecurityYANG Yi-feng,FAN Jian-chun,ZHANG Lai-bin(Security Engineering Laboratory,China University of Petroleum,Beijing102249Abstract:In recent years,the accidents of explos

13、ion,fire and poisonous matter have ascending trend in oil field,refinery and chemical plant,most of the accidents due to abnormal leak.So the study of diffusion regularity of leak influenced by enviroment factor is very important.Uses the popu-lar fluid computing software-Fluent,towards the gas tank leak,carrys out the fluid