CN114492229B - 一种基于Fluent软件的原油储罐泄漏模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于Fluent软件的原油储罐泄漏模拟方法，通过Fluent软件里的计算模型和算法还原出储罐泄漏过程，将原本难以通过实验观测研究的储罐泄漏过程进行可视化分析，并通过改变泄漏高度、孔径、泄漏孔形状可得到不同的模拟结果，得到不同泄漏情况对泄漏过程的影响，对于不同泄漏情况造成的后果可以进行对比分析，并总结规律。本发明能够根据双层罐壁原油储罐不同泄漏高度、孔径、形状，模拟出原油储罐内壁发生泄漏后，原油在内外壁间的流动过程及最终在罐根处的原油扩散范围，为原油储罐泄漏事故风险掌控提供一定的理论依据。

Description

一种基于Fluent软件的原油储罐泄漏模拟方法

技术领域

本发明涉及一种原油储罐泄漏模拟方法，具体是一种基于Fluent软件的原油储罐泄漏模拟方法，属于智能模拟技术领域。

背景技术

原油是一种危险物质，其本身具有燃爆性，还会挥发出可燃性气体、硫化氢等有毒气体。在储存过程中，需要解决原油可能带来的安全环保问题，特别是储存原油的储罐罐体一旦发生泄漏，原油流动到外界环境往往会引起火灾爆炸事故，造成比较严重的后果。泄漏作为火灾爆炸事故的初始环节，其过程对后果有着重要的影响。

为了更好的掌控泄漏事故风险，需要对泄漏过程进行模拟分析，就国内目前已有的文献和相关资料可以得知，对于原油储罐泄漏的事故的研究主要针对泄漏后造成的后果，例如发生火灾爆炸，而忽略了对泄漏过程的研究；其次，也未能考虑到储罐罐体本身结构的复杂性，例如双层罐壁对泄漏影响；另外，罐体本身发生泄漏的高度、泄漏孔的尺寸形状都会对泄漏过程和结果产生影响。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于Fluent软件的原油储罐泄漏模拟方法，能够根据双层罐壁原油储罐不同泄漏高度、孔径、形状，模拟出原油储罐内壁发生泄漏后，原油在内外壁间的流动过程及最终在罐根处的原油扩散范围，为原油储罐泄漏事故风险掌控提供一定的理论依据。

本发明一种基于Fluent软件的原油储罐泄漏模拟方法，包括以下步骤：

(1)确定原油储罐及原油的相关参数；

(2)确定需要模拟的泄漏情况，并通过公式(2)计算泄漏速率v₂：

其中，ρ是原油的密度；g是当地重力加速度；Δh是原油界面与泄漏孔界面的高度差；

(3)用workbench中的Designmodeler软件对储罐内外壁间的空腔以及泄漏孔进行空腔模型建立，并采用Meshing软件对该模型进行非结构化网格划分，根据泄漏孔实际尺寸大小，通过修改面网格尺寸来加密泄漏孔处的网格，并输出网格文件；

(4)将网格文件导入Fluent求解器，利用Fluent检查网格文件中网格尺寸扭曲率和角度扭曲率：

若网格尺寸扭曲率和角度扭曲率均大于或等于0.85，则返回步骤(3)；

若网格尺寸扭曲率和角度扭曲率均小于0.85，则设置为瞬态计算，打开重力并设置重力加速度，设置组分、边界条件、求解模型及其求解算法；Fluent求解器中设有瞬态计算和稳态计算两种计算方法，本发明选择瞬态计算方法；

(5)设置残差值为N；初始化计算，将原油储罐空腔模型中的原油组分体积分数初始化为0；

(6)设置时间步长和计算步数；

(7)判断是否收敛：若计算残差值趋于稳定或者低于设定的残差值则判定为收敛：

若是，计算完成，利用Fluent进行后处理，得到原油流动的动态过程，以及最终在罐根处的扩散范围；

若否，提升网格质量，调节亚松弛因子，返回步骤(5)。

优选地，步骤(4)中通过以下方法设置重力加速度、组分、边界条件、求解模型及其求解算法：重力依据当地重力加速度设置，组分为空气和原油，其中，原油组分设置为液态水，然后将液态水的粘度和密度修改为原油的粘度和密度；

边界条件为：

设置泄漏孔为速度入口，该速度入口的泄漏速率v₂由公式(2)而定；设置内外壁为壁面边界条件，空腔模型底部为压力等于0的压力出口；

求解模型为：

①湍流模型，该模型采用SIMPLE算法，各子项分别采用以下离散格式：梯度采用最小二乘单元，压力采用二阶格式，动量、湍流动能、湍流耗散率及各组分采用二阶迎风格式；

②VOF两相流模型，该模型采用采用瞬态计算，对原油流动过程进行动态还原。

本发明主要依赖于Fluent这款计算流体力学软件，通过Fluent软件里的计算模型和算法还原出储罐泄漏过程，将原本难以通过实验观测研究的储罐泄漏过程进行可视化分析；

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明应用范围更广，适用于各种大型储罐以及不同的储罐结构；另外，对于各种泄漏情况都能进行模拟，包括不同泄漏孔径、泄漏孔类型；

(2)Fluent作为一款成熟的专业计算流体力学软件，丰富的计算模型使得结果可信度也更高，精确性更强；同时，降低了使用者的门槛，无需自行编写公式模型；

(3)本发明直接对泄漏速率进行定义，简化了储罐内液面变化过程，降低了计算难度。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是本发明原油储罐模型示意图；

图3是本发明原油储罐模型网格示意图；

图4是本发明不同时刻原油储罐模型泄漏后，在罐壁上的流动分布情况。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明一种基于Fluent软件的原油储罐泄漏模拟方法，包括以下步骤：

(1)确定原油储罐的具体情况：包括储罐直径、高度、含油量、内外壁间距、原油的密度及粘度；其中，含油量用来计算原油液面和泄漏孔的高度差；

(2)确定需要模拟的泄漏情况：泄漏孔尺寸、泄漏孔形状、泄漏速率；其中，泄漏速率v₂通过公式(2)得出：

由于本发明的研究对象是直径较大的储罐，因此，泄漏对液位高度影响极小，所以忽略了储罐内部的建模，而是通过伯努利方程求解出对应泄漏孔高度的泄漏速率，以恒定的泄漏速率进行泄漏模拟：

其中，P₁为储罐内原油界面上的压力，v₁是储罐内原油的速度，由于是常压储罐且液面静止，因此P₁＝0，v₁＝0；ρ是原油的密度；g是重力加速度；P₂是泄漏孔处的压力，由于初始静止状态下，泄漏孔连通大气，压力为0，所以P₂＝0；v₂是泄漏孔处的泄漏速率；h₁、h₂分别为原油界面的高度和泄漏孔的高度。

因此，泄漏速率v₂为

其中，Δh为h₁和h₂的高度差；

(3)根据确定的储罐的直径和高度，用workbench中的Designmodeler软件对储罐内外壁间的空腔以及泄漏孔进行空腔模型建立，并采用Meshing软件对该模型进行非结构化网格划分，根据泄漏孔实际尺寸大小，通过修改面网格尺寸来加密泄漏孔处的网格，并输出网格文件；

(4)将网格文件导入Fluent求解器，利用Fluent检查网格文件中网格尺寸扭曲率和角度扭曲率，

若网格尺寸扭曲率和角度扭曲率均大于或等于0.85，则返回步骤(3)；

若网格尺寸扭曲率和角度扭曲率均小于0.85，则设置为瞬态计算，打开重力并设置重力加速度，设置组分、边界条件、求解模型及其求解算法；

其中，重力大小依据当地重力加速度设置；

组分为空气和原油；由于Fluent中没有原油组分，因此，设置为液态水，然后将水的粘度和密度修改为原油的粘度和密度以此来替代原油组分；

计算模型为：

①湍流模型，由于原油泄漏后会发生喷溅、撞击、扩散等复杂的流动行为，故采用标准的k-ε模型，该模型采用SIMPLE算法，各子项分别采用以下离散格式：梯度采用最小二乘单元，压力采用二阶格式，动量、湍流动能、湍流耗散率及各组分采用二阶迎风格式；

模拟选取标准k-ε湍流模型，假定分子之间无粘性，介质的流动是完全湍流流动，k- ε湍流模型如下：

其中，

Y_M＝2ρεM_t ²；

式中，G_k、G_b是湍流动能k的产生项，分别由平均速度梯度和浮力作用引起；Y_M是对总的耗散率的影响，由可压缩湍流脉动膨胀引起；β为热膨胀系数；a为声速；t为时间， x_i、x_j为坐标系向量，μ为流动粘度，ε为湍流耗散率，C_μ、C_1ε、C_2ε、C_3ε为经验常数， S_k、S_ε为需要定义的源项，g_i为重力加速度，Pr_t为普朗特数，T为环境温度，

为马赫数。

②VOF两相流模型，由于本发明涉及到原油和空气在空腔内的相互作用，因此，还需要采用VOF两相流模型，该模型采用采用瞬态计算，对原油流动过程进行动态还原；

VOF两相流模型是一种在固定欧拉网格下使用的表面跟踪法，该方法构造一个流体体积分数函数F_q，通过F_q追踪控制体内的介质流动速度，并按照其函数值和导数值构造自由面形状；

其中，流体体积分数函数F_q是指单元单相流体所占据的体积分数占单元总体积的比值。假设F_q值为1，则表示该单元体内仅存在一种相，若取值在0到1之间，则表示单元位于气液交界面，F_q遵循以下方程式：

式中，q代表相数量，u,v分别代表流体在x,y方向上的流动线速度(m·s^-1)；

边界条件为：

由于原油可以视为不可压缩流体，设置泄漏孔为速度入口，该速度根据步骤(2)中的公式而定；设置内外壁为壁面边界条件，模型底部为压力等于0的压力出口；

(5)设置残差值为0.0001；初始化计算，将原油储罐空腔模型中的原油组分体积分数初始化为0；

(6)设置时间步长和计算步数，为了保证较好的收敛性，可以将时间步长设置为0.001s，计算步数为15000步，即计算15s；

(7)判断是否收敛：若计算残差值趋于稳定或者低于步骤(5)中设定的残差值则判定为收敛：

若是，计算完成，利用Fluent进行后处理，得到原油流动的动态过程，以及最终在罐根处的扩散范围，即泄漏情况；

若否，提升网格质量，调节亚松弛因子，返回步骤(5)；

假设以下泄漏场景：圆形泄漏孔位于原油储罐15m高度处，直径为0.1m，如图4所示，为不同时刻原油泄漏后在罐壁上的流动分布情况。

由图4可以清楚的看到整体扩散速度较快，10s后流动达到稳定状态，在罐根处形成稳定的原油出流范围，向外界环境输出扩散。

本发明通过改变泄漏高度、孔径、泄漏孔形状可得到不同的模拟结果，从而得到不同泄漏情况对泄漏过程的影响，对于不同泄漏情况造成的后果可以进行对比分析，并总结规律。

Claims (2)

1.一种基于Fluent软件的原油储罐泄漏模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定原油储罐及原油的相关参数；

(2)确定需要模拟的泄漏情况，并通过公式(2)计算泄漏速率v₂：

其中，ρ是原油的密度；g是当地重力加速度；Δh是原油界面与泄漏孔界面的高度差；

(3)用workbench中的Designmodeler软件对储罐内外壁间的空腔以及泄漏孔进行空腔模型建立，并采用Meshing软件对该模型进行非结构化网格划分，根据泄漏孔实际尺寸大小，通过修改面网格尺寸来加密泄漏孔处的网格，并输出网格文件；

(4)将网格文件导入Fluent求解器，利用Fluent检查网格文件中网格尺寸扭曲率和角度扭曲率，

若网格尺寸扭曲率和角度扭曲率均大于或等于0.85，则返回步骤(3)；

若网格尺寸扭曲率和角度扭曲率均小于0.85，则设置为瞬态计算，打开重力并设置重力加速度，设置组分、边界条件、求解模型及其求解算法；

(5)设置残差值为N；初始化计算，将原油储罐空腔模型中的原油组分体积分数初始化为0；

(6)设置时间步长和计算步数；

(7)判断是否收敛：若计算残差值趋于稳定或者低于设定的残差值则判定为收敛：

若是，计算完成，利用Fluent进行后处理，得到原油流动的动态过程，以及最终在罐根处的扩散范围；

若否，提升网格质量，调节亚松弛因子，返回步骤(5)。

2.根据权利要求1所述的一种基于Fluent软件的原油储罐泄漏模拟方法，其特征在于，步骤(4)中通过以下方法设置重力加速度、组分、边界条件、求解模型及其求解算法：

重力依据当地重力加速度设置，组分为空气和原油，其中，原油组分设置为液态水，并将液态水的粘度和密度修改为原油的粘度和密度；

边界条件为：

设置泄漏孔为速度入口，该速度入口的泄漏速率v₂由公式(2)而定；设置内外壁为壁面边界条件，空腔模型底部为压力等于0的压力出口；

求解模型为：

①湍流模型，该模型采用SIMPLE算法，各子项分别采用以下离散格式：梯度采用最小二乘单元，压力采用二阶格式，动量、湍流动能、湍流耗散率及各组分采用二阶迎风格式；

②VOF两相流模型，该模型采用瞬态计算，对原油流动过程进行动态还原。

Images