FLUENT 软件在油气储运工程领域的应用

金俊卿 郑云萍

西南石油大学石油工程学院，四川 成都 610500

0 前言

油气储运工程是连接油气生产、加工、分配、销售诸环节的纽带，主要包括油气田集输、长距离输送管道、储存与装卸及城市输配系统等。 近年来，油气储运工程得到了高速发展，中国已经启动国家油气储备计划，正在更快更好地建设中国油气储运管网。 随着油气储运行业的迅速发展，单纯使用理论和试验研究已不能满足发展的需要，必须采用相应的模型研究油气储运工程领域各个环节可能出现的问题，有针对性地采取措施，避免发生安全事故，减少资源浪费。 在现代石油工业高性能、低造价、可操作性强的要求下，利用FLUENT 软件模拟相关流体问题，能够有针对性地采取措施，进行结构优化，推动油气储运行业的发展。

计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）是流体力学的一个分支，通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的相关信息，实现用计算机代替试验装置完成“计算试验”，为工程技术人员提供实际工况模拟仿真的操作平台。 FLUENT 是通用CFD 软件包，用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导，可实现对多种复杂物理条件下流场真实和全域的模拟。 由于其成本低、周期短、计算精度高、与实际吻合度高的特点，在实验研究和商业应用中具有重要的指导作用， 故应用越来越广泛［1］。

1 概述

计算流体动力学是近现代流体动力学的一个重要分支，FLUENT 软件的设计基于“CFD 软件群”思想［2］，可针对各种不同流动的特点，采用最佳的数值解法，准确模拟流动、传热和化学反应等物理现象。

FLUENT 软件主要用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动和传热现象，有灵活的网格特性，可以支持多种网格，凡与流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。 用户可以自由选择使用非结构化或者结构化网格来划分复杂的集合区域，也可以利用FLUENT 软件提供的网格自适应特性在求解过程中根据所获得的计算结果来优化网格。从用户需求角度出发，FLUENT 软件容易上手，针对各种复杂流动的物理现象，采用不同的离散格式和数值方法，在特定领域内使计算速度、稳定性和精度等达到最佳组合，高效地解决油气储运工程领域的复杂流动计算问题［3-4］。

FLUENT 软件同传统的CFD 计算方法相比，具有以下优点：

a） 稳定性好。 经大量实例验证，FLUENT 软件的模拟结果同实验结果吻合度高。

b）运算精度高，具有二阶计算精度。

c）适用范围广。 FLUENT 软件提供了非耦合隐式算法、耦合显式算法和耦合隐式算法三种数值算法。 含有先进的物理模型，可应用于湍流、多相流、热传导、燃烧、化学反应等几乎所有与流体相关的领域。

d）高效省时。 FLUENT 软件将不同领域的计算软件组合起来，采用统一的前后处理工具，节省了时间。

e）先进的动/变形网格技术。 用户只需折定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生成。 可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全流动所产生的力所决定的问题。

f）强大的网格支持能力。 FLUENT 软件支持界面不连续的网格、 混合网格、 动/变形网格以及滑动网格等。FLUENT 软件还拥有多种基于解的网格自适应、动态自适应以及动网格与网格动态自适应相结合的技术［4］。

2 应用现状

2.1 旋风分离器内部流场数值模拟

利用FLUENT 软件对旋风分离器内部流场进行数值模拟，将不同湍流模型、不同离散方式、不同内部结构（进口角度、进料管结构、圆筒段结构等）的数值模拟结果进行对比，确定出最合适的分离器内部流场，为分离器的进一步结构优化提供理论依据。

魏新利等人［5］采用FLUENT 软件中的k-ε 标准模型、RNG k-ε 模型和RSM 模型对旋风分离器内部流场进行了数值模拟，将模拟结果与实验结果比较得出最适合旋风分离器的数值解法：湍流模型采用各向异性的RSM 模型，离散方式采用对流项的QUICK 格式和压力梯度项的PRESTO 格式。

郭广东等人［6］研究了三相旋流器结构参数和分离效率之间的关系，通过改变三相旋流器的内部结构，借助FLUENT 软件研究内部流场的变化情况， 确定出提高旋流器分离性能的方法。 而张建等人［7］采用FLUENT 软件对三种排尘口直径不同的旋风分离器以及长锥型旋风分离器中的气相流动规律进行数值模拟， 结果表明，随着排尘口直径减小，分离性能有所提高。

2.2 管道停输温降数值模拟

在管道运行过程中，停输是不可避免的。 掌握其温降规律对确定安全停输时间、再启动方案和停输检修安排具有指导意义。 此类散热问题可以采用数值解法（主要为有限元法和有限体积法），通过控制网格的划分，计算可得到较高精度的解。

张煜等人［8］分析了不同位置、不同初始温度、不同管径条件下的热油管道停输降温变化过程， 通过FLUENT软件模拟发现，温降过程分三阶段，第一阶段自然对流导致温降速度最快；第二阶段原油黏度增大，温降曲线平缓；第三阶段依赖导热传热，管内温降速率较快，模拟结果与实际情况相符。

王常斌等人［9］运用FLUENT 软件在三维直角坐标系中建立了埋地热油管道的物理模型， 对不同传热系数、不同流速以及非稳态环境的热油管道进行了数值模拟，得到热油管道轴向温度分布图，分析了管道总传热系数和流速对温度变化的影响。 模拟结果较好地反映了埋地热油管道沿线温度下降的基本特征，为实际生产管理提供了科学依据，对指导油田的输油生产、管道安全性和节能降耗具有重要意义。

杜明俊等人［10］使用FLUENT 软件研究多年冻土区埋地热油管道停输温降问题。 针对多年冻土区埋地热油管道运行环境的特点，对不同季节管内原油的温降和土壤温度场进行了仿真分析， 模拟了管道原油凝固过程，确定合理的停输时间。

2.3 顺序输送混油数值模拟

成品油常采用顺序输送的运输方式，其中混油处理是研究顺序输送的难点之一［11］。 由于影响混油浓度的因素很多，因此混油界面在管道内运动复杂，使常规混油量计算公式的应用具有一定局限性。 数值模拟因具备对复杂流动传热边界条件进行分析、求解的能力，近年来已被用于解决顺序输送混油问题。

赵海燕［12］应用FLUENT 软件模拟研究了顺序输送混油的问题。 以质量输送方程为基础，使用壁面函数法处理固壁边界，综合分析了油品输送速度、输送次序、停输、盲支管以及90°弯管等各种工况对混油的影响，模拟结果和理论分析对比基本吻合，为进一步研究成品油顺序运输提供了理论依据和指导。

杜明俊等人［13］利用FLUENT 软件模拟了冷热原油顺序输送过程中混油浓度情况。 采用有限容积法建立了顺序输送混油数学模型，分析了不同输送顺序、不同温度、不同速度对混油浓度的影响，研究结果为工程设计与管理提供了理论指导。

2.4 天然气管道泄漏扩散数值模拟

天然气在管道运行的过程中会受到内外因素的干扰，最终导致管道破裂而发生泄漏。 天然气泄漏不但导致能源浪费，而且会形成中毒、燃烧爆炸危险区，当遇到火源或达到一定浓度就会发生燃烧或爆炸，造成经济损失。研究管输天然气泄漏扩散规律可迅速预测天然气泄漏后的扩散及危险范围，避免不必要的能源浪费和经济损失。

李自力等人［14］利用FLUENT 软件对山地条件下天然气泄漏扩散进行了数值模拟，并编写UDF 程序导入软件对风速进行修正。 考虑天然气向下喷射情况，给出了在不同风速条件下天然气向下喷射时的爆炸下限浓度和警戒浓度范围， 将结果与气体向上喷射情况对比，得出孔口向下喷射时，气体积聚在近地面不易扩散，比孔口向上喷射时更危险。

胡夏琦［15］采用FLUENT 软件模拟含H2S 高压天然气管道泄漏情况， 研究了含H2S 的高压天然气管道泄漏时天然气的扩散规律。 模拟结果表明，扩散时，安全空间随H2S 浓度的增大而减小， 说明含H2S 天然气比只含甲烷的天然气更危险。

朱红钧等人［16］借助FLUENT 软件对平坦地区含硫天然气集输管道的泄漏扩散进行了仿真研究，对比分析了泄漏率、压力和浓度在静风和有风条件下的分布规律及危险区大小，为管道的实际生产运行和紧急救援提供参考。

2.5 LNG 技术方面数值模拟

LNG 作为一种清洁、高效的能源越来越受到各国的青睐［17］。 为推动该领域的发展，很多研究者以数学模型为载体，利用FLUENT 软件研究LNG 泄漏、分层、翻滚和蒸发等问题，取得了一定的成果。

Gavelli F 等人［18-19］借助FLUENT 软件模拟LNG 泄漏后周围复杂环境的情况， 以Falcon 系列测试为理论模型，准确地预测了LNG 低温泄漏行为。

1980 年在加利福尼亚的China Lake 进行了LNG 系列实验，黄琴等人［20］以实验数据为基础，运用FLUENT软件对LNG 泄漏扩散进行了模拟，将不同点的模拟结果同实验数据进行对比。 结果表明，由于实验过程中风速和风向的影响，模拟结果与实验结果存在差异，但温度和浓度的变化趋势与实验值基本吻合。

乔国发［21］运用FLUENT 软件对紊流态LNG 分层和翻滚情况进行数值模拟计算，观察到LNG 分层和翻滚的演变过程大致分为四个阶段。同时发现LNG 翻滚现象产生的根本原因是LNG 分层的存在，LNG 分层产生翻滚的直接原因是热边界层的流动。 对模拟结果进行了实验验证，二者基本吻合。

2.6 油罐问题的数值模拟

随着石油化工行业的发展以及原油战略储备的要求，油罐已成为常用的石油储备设施。 但作为一种大型压力容器，容易发生爆炸事故，造成严重的环境污染，后果往往是灾难性的［22］。 很多研究者利用FLUENT 软件研究油罐渗漏、罐内原油温降以及油罐的爆炸行为，为油罐的安全设计提供理论借鉴。

万春利等人［23］借助FLUENT 软件模拟了大型浮顶罐内原油的温降情况，具体研究了自然冷却条件下油罐内温度和速度的变化机理，得到了分布云图。 将模拟数据与实测数据对比，二者吻合度很高，相对误差＜3%。

郑志伟等人［24］运用FLUENT 软件的多孔介质模型模拟了立式油罐底部漏油渗流场的分布，研究了影响渗流场分布的相关原因，为油罐渗漏探测方法的研究及油品污染情况的评估提供了参考。

高建丰等人［25］借助FLUENT 软件对油罐内油气混合物爆炸情况进行了数值仿真研究。 在一个模拟油罐中进行模拟实验，建立数学模型，得到相应的模拟结果，将实验值和模拟值进行对比得到：油罐内油气混合物爆炸强度与罐内初始温度、油气体积分数等因素有关。

3 存在的问题

FLUENT 软件在油气储运工程领域的应用还存在不足之处。 首先，FLUENT 软件采用有限体积法，在计算过程中为了加快收敛速度，采取了交错网格，会降低计算精度。

其次，应用FLUENT 软件进行数值模拟，实际上是一种离散近似的计算方法，计算结果与实际结果有一定偏差，结果不能提供任何形式的解析表达式，只能得到有限个离散点的数值解。

另外，FLUENT 软件均配有各种湍流模型，包括方程模型、k-ε 模型、RSM 模型、LES 模型等。但这些模型的使用不是通用的，是有一定条件的。 例如：标准k-ε 模型只适合完全湍流的流动过程模拟；RNG k-ε 模型主要针对高雷诺数流动问题，对低雷诺数问题则要进行相应的设置；RSM 模型也属于高雷诺数湍流计算模型， 在固体壁面附近，由于分子黏性作用，湍流脉动受到阻尼，雷诺数很小，RSM 模型不再适用。

4 发展趋势

FLUENT 软件在油气储运工程领域的应用已逐步展开，数值模拟同试验研究相比，有独特的优势：成本低，计算快捷、方便，能够获得完整数据，无实验仪器干扰，能提供各个状态的实验数据，可以部分替代恶劣工况和复杂边界条件下的常规实验和工业试验，具有一定的应用潜力。 因此，FLUENT 软件有很大的发展前景：

a）油气储运工程领域是一个多学科综合性领域，对该领域的模拟需要涉及多方面工作，要求研究者除了具有储运专业知识外，还应具有扎实的数学功底和计算机应用知识，同时对流体力学理论也有深刻的认识。

b）综合应用数值模拟结果和实验研究结果，用数值模拟指导实验研究方向， 用实验研究验证数值模拟，为实际工程提供更有力的设计依据。

c） 充分利用FLUENT 软件的自定义函数 （UDF）功能，对FLUENT 软件进行二次开发应用，这将为FLUENT软件提供一种更有效的使用方法，也为FLUENT 软件的更广泛使用提供了新思路。

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