張 琰，白 云，王常蓮

1.中國石油大學(xué)(北京)(北京 102249)2.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院 (北京 100083)3.北京化工大學(xué) (北京 100029)

大型浮頂油罐內(nèi)原油流場數(shù)值計算

張 琰1，2，白 云3，王常蓮2

1.中國石油大學(xué)(北京)(北京 102249)
2.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院 (北京 100083)
3.北京化工大學(xué) (北京 100029)

大型浮頂油罐與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，罐內(nèi)原油密度發(fā)生改變，形成低瑞利數(shù)湍流運(yùn)動，原油流動對熱量耗散有較強(qiáng)的促進(jìn)作用，故研究儲罐內(nèi)原油流動對深入認(rèn)識儲罐散熱規(guī)律有重要意義。以10×104m3雙盤式浮頂油罐為例，考慮大氣溫度變化、罐底土壤傳熱、罐壁和罐頂散熱以及原油物性等因素，建立流動傳熱模型，采用基于壓力耦合方程組的半隱式算法，通過FLUENT軟件模擬計算，得出罐內(nèi)原油運(yùn)動速度分布特點(diǎn)及流速一般處于10-2至10-4m/s范圍內(nèi)的結(jié)論;根據(jù)流函數(shù)分析，得出罐內(nèi)原油湍流運(yùn)動由單個漩渦流到多個漩渦流的發(fā)展過程。

大型浮頂罐;原油;自然對流;原油流場;數(shù)值模擬

近年來，為增大國家石油戰(zhàn)略儲備和適應(yīng)國內(nèi)外石油銷售市場的變化，多數(shù)油田、油庫建設(shè)了一些大型浮頂油罐。由于存在溫差，油罐內(nèi)原油通過罐底、罐壁和浮頂與周圍環(huán)境進(jìn)行熱交換，使原油溫度降低［1］。原油密度隨其溫度變化而變化，進(jìn)而產(chǎn)生自然對流，原油的運(yùn)動進(jìn)一步促進(jìn)了熱能的損耗［2-3］，故研究儲罐內(nèi)原油的流動對深入認(rèn)識儲罐散熱規(guī)律有重要意義。然而儲罐的尺度較大且罐內(nèi)原油運(yùn)動流速較小，運(yùn)用普通設(shè)備無法監(jiān)測，所以只能利用數(shù)值方法計算罐內(nèi)原油的流場變化［4］。

1 數(shù)學(xué)模型

選取10×104m3雙盤式浮頂油罐作為研究對象，為減少計算量，以儲罐縱斷面的一半為算例，建立二維旋轉(zhuǎn)軸模型，如圖1所示。模型上方是儲罐浮頂，忽略浮倉內(nèi)隔板的影響，將浮倉內(nèi)簡化為1m的空氣層;中間部分為原油，儲罐半徑為40m，液位18m;下方為土壤區(qū)，將其視為半無限大的均勻介質(zhì)，厚度10m;罐壁保溫層厚度80mm。

圖1 大型浮頂油罐幾何模型

在柱坐標(biāo)下建立儲罐的流動傳熱通用方程:

式中:u，v為x，r方向上的無量綱速度;ρ為無量綱密度;t為無量綱時間;T為無量綱溫度;φ為通用變量，可以代表u，v，T等求解變量;Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù);Sφ為廣義源項。

忽略輻射換熱和相變潛熱的影響，假設(shè)土壤、保溫層和空氣物性均勻，它們的熱容及導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù);設(shè)距地表以下10m埋深處地溫恒定為10℃;設(shè)大氣溫度每天變化相同，每天大氣溫度隨時間變化的函數(shù)為:

2 數(shù)值計算

2.1 算法簡介

SIMPLE算法就是求解壓力耦合方程的半隱方法。此算法的壓力修正基本思想如下:在迭代某一層次上，可以給定一個壓力場，可以是假定的或者是上一層次計算得到的，但是這樣的壓力場不能滿足連續(xù)性方程，需要對壓力場進(jìn)行修正，必須使改進(jìn)后的壓力場所對應(yīng)的速度場能夠滿足這一層次的連續(xù)性方程［5］。

2.2 方程離散和網(wǎng)格劃分

罐內(nèi)原油流動為低瑞利數(shù)的湍流運(yùn)動［1］，采用SIMPLE算法離散流動傳熱方程組，速度項采用一階迎風(fēng)格式，壓力項采用向前差分格式，擴(kuò)散項采用中心差分格式。

劃分模型網(wǎng)格，其中浮頂400個節(jié)點(diǎn)、罐壁180個節(jié)點(diǎn)、土壤層縱向100個節(jié)點(diǎn)、橫向600個節(jié)點(diǎn)，對溫度變化劇烈的區(qū)域如浮頂、罐壁、土壤層交界等處局部加密。

2.3 邊界條件

選取儲罐原油液位作為算例，初始時刻原油區(qū)域的溫度設(shè)為298K，計算10天內(nèi)罐內(nèi)原油的溫度場和流場的變化。將網(wǎng)格導(dǎo)入FLUENT中，流動模型選擇湍流模型，原油采用Boussinesq模型，罐壁處的速度邊界采用無滑移條件，旋轉(zhuǎn)軸處設(shè)置為絕熱，罐頂和罐壁處采用第三類邊界條件，選擇合適的時間步長和亞松弛因子［6］，以防止計算發(fā)散。

3 結(jié)果分析

3.1 流函數(shù)分析

圖2是儲罐內(nèi)原油受周圍環(huán)境影響發(fā)生低瑞利數(shù)湍流的等值流函數(shù)圖。在流線上，任何一點(diǎn)的切線和該點(diǎn)處流體質(zhì)點(diǎn)的速度方向相同。靠近浮頂、罐壁和土壤部分的原油熱損耗較大，旋轉(zhuǎn)軸中間處的原油熱損耗較小，進(jìn)而形成溫差和密度差，罐內(nèi)產(chǎn)生自然對流。儲罐內(nèi)的原油湍流運(yùn)動是極其復(fù)雜的，靜置1天后溫度較低的原油由浮頂緩慢運(yùn)動至罐底，溫度較高的原油緩慢運(yùn)動至浮頂處，如圖2所示，從旋轉(zhuǎn)截面上看，整個罐區(qū)僅存在一個較大的沿順時針方向的漩渦流。

圖2 罐內(nèi)原油靜置1天后等值流函數(shù)

如圖3所示，原油靜置3天后，湍流運(yùn)動已經(jīng)發(fā)展成兩個方向相反的漩渦，靠近罐壁的呈逆時針方向，罐壁與浮頂夾角處的原油熱損耗最大，冷油靠近罐壁緩慢流下，熱油流動到浮頂;靠近旋轉(zhuǎn)軸的漩渦流呈順時針方向。在兩個漩渦流的交界處，原油向上運(yùn)動至浮頂。

圖3 罐內(nèi)原油靜置3天后等值流函數(shù)

隨后順時針運(yùn)動的漩渦流逐步擴(kuò)大至整個罐區(qū)，它的內(nèi)部靠近罐壁處還存在一個與其運(yùn)動方向相同的漩渦流，如圖4所示。對比圖4和圖5可知，原油靜置5天和10天后的流函數(shù)圖相差較小，故可推斷罐內(nèi)原油的湍流運(yùn)動隨時間增長而趨于穩(wěn)定。

3.2 溫度場與速度場分析

圖6是浮頂油罐靜置10天后原油區(qū)域的溫度場分布，罐壁與浮頂夾角處的原油換熱面積大，故此處溫降速率最快，溫度最低;儲罐內(nèi)原油溫度最高點(diǎn)位于油罐中軸處。圖7是浮頂油罐靜置10天后原油區(qū)域的速度場分布，整個原油區(qū)域運(yùn)動速度很小，一般處于10-2至10-4m/s之間，位于中軸處的原油運(yùn)動速度最大。從旋轉(zhuǎn)截面上看，原油區(qū)存在若干漩渦流，最大的一個呈順時針方向運(yùn)動，由浮頂經(jīng)中心軸流至罐底，再返回至浮頂處?？拷薇谔幋嬖谝粋€順時針方向的漩渦流，其右面還存在一個逆時針方向的漩渦流。

圖4 罐內(nèi)原油靜置5天后等值流函數(shù)

圖5 罐內(nèi)原油靜置10天后等值流函數(shù)

圖6 儲罐靜置10天后原油區(qū)溫度場

圖2 ～圖7中所示僅是大型浮頂油罐縱斷面的一半，罐內(nèi)原油運(yùn)動狀態(tài)應(yīng)是其繞旋轉(zhuǎn)軸一周后的形態(tài)。

4 結(jié)論

1)大型浮頂油罐內(nèi)原油流動對熱量耗散有較強(qiáng)的促進(jìn)作用，其流動形態(tài)復(fù)雜多變，屬于低瑞利數(shù)湍流。

圖7 儲罐靜置10天后原油區(qū)速度場

2)罐內(nèi)原油流動形態(tài)隨時間不斷變化，由單一漩渦流發(fā)展成多個漩渦流共同作用，且前期流動狀態(tài)變化比較明顯，隨后緩慢地趨于穩(wěn)定。

3)罐內(nèi)原油運(yùn)動速度較小，一般在10-2至10-4m/s范圍內(nèi)，而儲罐中心軸處原油流速較大。

4)整個罐區(qū)原油的溫度最低點(diǎn)位于罐壁與浮頂夾角處，此處應(yīng)當(dāng)布置測溫點(diǎn)，以防止儲罐凝油事故的發(fā)生。

［1］李旺，王情愿，李瑞龍，等.大型浮頂油罐溫度場數(shù)值模擬［J］.化工學(xué)報，2011，62(S1)：108-112.

［2］李世武，熊莉芳.封閉方腔自然對流換熱的研究［J］.工業(yè)加熱，2007，36(3)：10-13.

［3］樊睿源，王強(qiáng)，楊善讓.封閉腔體內(nèi)大空間自然對流的數(shù)值模擬［J］.水利電力機(jī)械，2006，28(1)：29-31，36.

［4］于達(dá).大型浮頂油罐測溫系統(tǒng)的研發(fā)［J］.油氣儲運(yùn)，2005，24 (8)：41-43.

［5］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.

［6］I.Rodríguez，J.Castro，C.D.Pérez-Segarra，A.Oliva.Unsteady numerical simulation of the cooling process of vertical storage tanks under laminar natural convection［J］.International Journal of Thermal Sciences，2009，48(4):708-721.

There is heat exchange between large floating-roof tank and surrounding environment，the density of the crude oil in the tank will change，so the turbulence of low Rayleigh number is formed in the tank.The flow of crude oil is favorable to its heat dissipation，and therefore the study on the crude oil flow is of important significance to understanding heat dissipation law of the storage tank.Taking double disc floating-roof tank of 10×104m3an example，its flow heat transfermodel is established，in which the change of atmospheric temperature，the soil heat transfer under the tank，the heat dissipation of tank wall and top and the physical property of crude oil are considered.The flow velocity distribution of crude oil in the tank is obtained using semi-implicit algorithm based on pressure coupling equations and FLUENT software，and the calculation result show that the flow velocity is 10-2～10-4m/s，and the turbulence in the tank has undergone a development process from single vortex tomultiple vortexes.

large floating-roof oil tank;crude oil;natural convection;crude oil flow field;numerical simulation

梅

2014-11-28

張琰(1991-)，男，碩士，主要從事油氣田地面工程和數(shù)值傳熱方面的研究工作。