大型浮顶油罐内原油流场数值计算

张 琰，白 云，王常莲

1.中国石油大学(北京)(北京 102249)2.中国石油天然气股份有限公司规划总院 (北京 100083)3.北京化工大学 (北京 100029)

大型浮顶油罐内原油流场数值计算

张 琰1，2，白 云3，王常莲2

1.中国石油大学(北京)(北京 102249)
2.中国石油天然气股份有限公司规划总院 (北京 100083)
3.北京化工大学 (北京 100029)

大型浮顶油罐与周围环境进行热交换，罐内原油密度发生改变，形成低瑞利数湍流运动，原油流动对热量耗散有较强的促进作用，故研究储罐内原油流动对深入认识储罐散热规律有重要意义。以10×104m3双盘式浮顶油罐为例，考虑大气温度变化、罐底土壤传热、罐壁和罐顶散热以及原油物性等因素，建立流动传热模型，采用基于压力耦合方程组的半隐式算法，通过FLUENT软件模拟计算，得出罐内原油运动速度分布特点及流速一般处于10-2至10-4m/s范围内的结论;根据流函数分析，得出罐内原油湍流运动由单个漩涡流到多个漩涡流的发展过程。

大型浮顶罐;原油;自然对流;原油流场;数值模拟

近年来，为增大国家石油战略储备和适应国内外石油销售市场的变化，多数油田、油库建设了一些大型浮顶油罐。由于存在温差，油罐内原油通过罐底、罐壁和浮顶与周围环境进行热交换，使原油温度降低［1］。原油密度随其温度变化而变化，进而产生自然对流，原油的运动进一步促进了热能的损耗［2-3］，故研究储罐内原油的流动对深入认识储罐散热规律有重要意义。然而储罐的尺度较大且罐内原油运动流速较小，运用普通设备无法监测，所以只能利用数值方法计算罐内原油的流场变化［4］。

1 数学模型

选取10×104m3双盘式浮顶油罐作为研究对象，为减少计算量，以储罐纵断面的一半为算例，建立二维旋转轴模型，如图1所示。模型上方是储罐浮顶，忽略浮仓内隔板的影响，将浮仓内简化为1m的空气层;中间部分为原油，储罐半径为40m，液位18m;下方为土壤区，将其视为半无限大的均匀介质，厚度10m;罐壁保温层厚度80mm。

图1 大型浮顶油罐几何模型

在柱坐标下建立储罐的流动传热通用方程:

式中:u，v为x，r方向上的无量纲速度;ρ为无量纲密度;t为无量纲时间;T为无量纲温度;φ为通用变量，可以代表u，v，T等求解变量;Γφ为广义扩散系数;Sφ为广义源项。

忽略辐射换热和相变潜热的影响，假设土壤、保温层和空气物性均匀，它们的热容及导热系数为常数;设距地表以下10m埋深处地温恒定为10℃;设大气温度每天变化相同，每天大气温度随时间变化的函数为:

2 数值计算

2.1 算法简介

SIMPLE算法就是求解压力耦合方程的半隐方法。此算法的压力修正基本思想如下:在迭代某一层次上，可以给定一个压力场，可以是假定的或者是上一层次计算得到的，但是这样的压力场不能满足连续性方程，需要对压力场进行修正，必须使改进后的压力场所对应的速度场能够满足这一层次的连续性方程［5］。

2.2 方程离散和网格划分

罐内原油流动为低瑞利数的湍流运动［1］，采用SIMPLE算法离散流动传热方程组，速度项采用一阶迎风格式，压力项采用向前差分格式，扩散项采用中心差分格式。

划分模型网格，其中浮顶400个节点、罐壁180个节点、土壤层纵向100个节点、横向600个节点，对温度变化剧烈的区域如浮顶、罐壁、土壤层交界等处局部加密。

2.3 边界条件

选取储罐原油液位作为算例，初始时刻原油区域的温度设为298K，计算10天内罐内原油的温度场和流场的变化。将网格导入FLUENT中，流动模型选择湍流模型，原油采用Boussinesq模型，罐壁处的速度边界采用无滑移条件，旋转轴处设置为绝热，罐顶和罐壁处采用第三类边界条件，选择合适的时间步长和亚松弛因子［6］，以防止计算发散。

3 结果分析

3.1 流函数分析

图2是储罐内原油受周围环境影响发生低瑞利数湍流的等值流函数图。在流线上，任何一点的切线和该点处流体质点的速度方向相同。靠近浮顶、罐壁和土壤部分的原油热损耗较大，旋转轴中间处的原油热损耗较小，进而形成温差和密度差，罐内产生自然对流。储罐内的原油湍流运动是极其复杂的，静置1天后温度较低的原油由浮顶缓慢运动至罐底，温度较高的原油缓慢运动至浮顶处，如图2所示，从旋转截面上看，整个罐区仅存在一个较大的沿顺时针方向的漩涡流。

图2 罐内原油静置1天后等值流函数

如图3所示，原油静置3天后，湍流运动已经发展成两个方向相反的漩涡，靠近罐壁的呈逆时针方向，罐壁与浮顶夹角处的原油热损耗最大，冷油靠近罐壁缓慢流下，热油流动到浮顶;靠近旋转轴的漩涡流呈顺时针方向。在两个漩涡流的交界处，原油向上运动至浮顶。

图3 罐内原油静置3天后等值流函数

随后顺时针运动的漩涡流逐步扩大至整个罐区，它的内部靠近罐壁处还存在一个与其运动方向相同的漩涡流，如图4所示。对比图4和图5可知，原油静置5天和10天后的流函数图相差较小，故可推断罐内原油的湍流运动随时间增长而趋于稳定。

3.2 温度场与速度场分析

图6是浮顶油罐静置10天后原油区域的温度场分布，罐壁与浮顶夹角处的原油换热面积大，故此处温降速率最快，温度最低;储罐内原油温度最高点位于油罐中轴处。图7是浮顶油罐静置10天后原油区域的速度场分布，整个原油区域运动速度很小，一般处于10-2至10-4m/s之间，位于中轴处的原油运动速度最大。从旋转截面上看，原油区存在若干漩涡流，最大的一个呈顺时针方向运动，由浮顶经中心轴流至罐底，再返回至浮顶处。靠近罐壁处存在一个顺时针方向的漩涡流，其右面还存在一个逆时针方向的漩涡流。

图4 罐内原油静置5天后等值流函数

图5 罐内原油静置10天后等值流函数

图6 储罐静置10天后原油区温度场

图2 ～图7中所示仅是大型浮顶油罐纵断面的一半，罐内原油运动状态应是其绕旋转轴一周后的形态。

4 结论

1)大型浮顶油罐内原油流动对热量耗散有较强的促进作用，其流动形态复杂多变，属于低瑞利数湍流。

图7 储罐静置10天后原油区速度场

2)罐内原油流动形态随时间不断变化，由单一漩涡流发展成多个漩涡流共同作用，且前期流动状态变化比较明显，随后缓慢地趋于稳定。

3)罐内原油运动速度较小，一般在10-2至10-4m/s范围内，而储罐中心轴处原油流速较大。

4)整个罐区原油的温度最低点位于罐壁与浮顶夹角处，此处应当布置测温点，以防止储罐凝油事故的发生。

［1］李旺，王情愿，李瑞龙，等.大型浮顶油罐温度场数值模拟［J］.化工学报，2011，62(S1)：108-112.

［2］李世武，熊莉芳.封闭方腔自然对流换热的研究［J］.工业加热，2007，36(3)：10-13.

［3］樊睿源，王强，杨善让.封闭腔体内大空间自然对流的数值模拟［J］.水利电力机械，2006，28(1)：29-31，36.

［4］于达.大型浮顶油罐测温系统的研发［J］.油气储运，2005，24 (8)：41-43.

［5］陶文铨.数值传热学［M］.西安:西安交通大学出版社，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

张琰(1991-)，男，硕士，主要从事油气田地面工程和数值传热方面的研究工作。