10 000m3球罐整体热处理温度场三维模拟及实验验证

吕宵宵，赵毅红，陆华峰，陈荣发

（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州 225009）

0 引言

由于热处理技术限制，以前只能对7 000m3以下的中小型球罐进行有效的焊后热处理［1－2］。进入21世纪以来，国内相继建造了20多台10 000m3天然气球罐，但均未进行焊后热处理，这就限制了球罐在工程领域的应用。

21世纪初Nurten Vardar在现有研究成果的基础上进一步提出用低雷诺湍流效应对3种不同入口流速和温度下的球罐进行瞬态湍流分析［3－4］；Boyd验证了用Simple方法求解κ－ε双方程模型的可行性；而国内对球罐整体热处理的模拟也进行了一系列的研究［5－6］。本文以某10 000m3球罐为例，对其进行了焊后热处理数值模拟，通过对比模拟结果与工程实际测量所得结果，验证了此模型的正确性。

1 分析建模

1.1 建模与网格划分

待热处理球罐基本参数为：内径Φ26 800mm，外径Φ26 872mm，厚度36mm。绝热层选用岩棉毡，厚度为70mm，即绝热层外径Φ27 012mm。环境温度为－5℃，热处理工艺规定为：（600±25）℃保温90 min。通过现有工程图纸在Pro/E中绘制10 000m3球形储罐的三维立体模型。根据对其内部流场、温度场的模拟仿真需要，对模型进行一定的简化。考虑到计算的精度和效率，选择球罐内部流场网格类型为CFD，共分为74 547个节点和418 642个单元。球罐壳体及腿柱共划分为133 676个节点和66 662个单元。

1.2 边界条件的确定

利用有限元法，以质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律3大定律为基础，主要通过热平衡计算基本公式，将下人孔到上人孔之间作为球罐的热平衡区域，算出在一个工作周期内热处理过程所需总热量。

对球罐保温阶段热处理的数值模拟是建立在保温阶段球罐热处理温度和耗油量基本保持不变的基础上，因此可将这一问题视为稳态问题进行处理。在计算热力学稳态问题时不需要初始条件，故而构成这一物理过程的完整数学描写由控制方程及边界条件组成。打开能量方程，选取标准κ－ε湍流模型描述球体部湍流现象。

2 结果与分析

2.1 模拟仿真结果分析

图1、图2分别为球罐内部流场矢量图和分布图。由图1、图2可以看出：最大气体速度在球罐轴线约1/2处，沿着轴线向上逐渐减弱，在上人孔处速度又有所上升，然后气流沿球壁面向下流动速度逐渐减小。由图2可以看出：气体由喷嘴从下人孔喷入球体内部，沿中心轴线方向往上流动，受到球罐顶部球壳的阻碍及顶部出口几何尺寸的限制，部分气流通过顶部出口流出，另一部分沿球壁面向下流动并在轴线两侧形成2个对称的漩涡。对比图1和图2可知，轴线方向气流速度明显大于其他区域，流动最快；漩涡和下人孔底部附近气流速度最小，流动最慢。

图3为球罐内部温度场分布图，图4为球罐壳体及腿柱温度场分布图。由图3可以看出：直烧法球罐温度分布左右对称，中心底部温度高于中心顶部，中心顶部温度高于四周壁面；喷嘴附近温度梯度最大，且向两侧传热；漩涡附近温度梯度最小。图4表明：壁面温度从上人孔到下人孔逐渐降低，球罐顶部温度最高为619℃，底部最低为579℃，温差接近40℃。实际工程测量数据为球罐顶部温度最高为618℃，底部温度最低为579℃，温差为39℃。壁面温度均在国标GB 50094—2010规定的（600±25）℃温度范围内，达到了整体热处理的目的。

图1 球罐内部流场矢量图

图2 球罐内部流场分布图

图3 球罐内部温度场分布图

2.2 温度测量与验证

图5为采用温度监测系统测量并根据报表绘制的实际热处理保温阶段温度曲线与通过ANSYS模拟仿真后得出的温度曲线对比图。通过图5可以看出：部分点的温度存在3℃～5℃的误差。其主要原因是球罐整体热处理热平衡计算虽有实际工程数据予以支撑，但其数据仍不够充分，例如存在喷嘴的不完全燃烧、热能损耗等，这就使得热平衡计算趋向于理论，与实际工程中的热平衡之间存在一定的误差；在10 000 m3球形储罐整体热处理模拟仿真过程中，假设的外部环境、保温层均匀性等条件均处于理想状态，其热力学参数以及外部空气对保温层的对流换热并未进行实际测定，这些均与实际工程之间存在一定的差别。

图4 球罐壳体及腿柱温度场分布图

图5 实测与模拟的球罐壳体热处理温度曲线对比图

3 总结

本文首次对10 000m3球形储罐整体热处理保温阶段进行了数值模拟，得出了其内部流场分布、球壳及腿柱温度场分布的规律。将模拟仿真结果与工程实际测量结果进行对比，证实了此次仿真的正确性，并成功应用于某场所制造的10 000m3球罐的焊后热处理，为提高热处理质量提供了一定的理论指导。

［1］窦万波.10 000m3大型天然气球罐的设计和制造技术［J］.压力容器，2007，24（4）：38－44.

［2］李友，杨成刚.球形储罐焊后热处理［J］.金属热处理，2002，27（3）：42－47.

［3］Nurten Vardar.Numerical analysis of the transient turbulent flow in a fuel oil storage tank［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2003，46：3429－3440.

［4］Boyd R K，Kent J H.Three－dimensional furnace computer modelling［C］//The 21st Symp（Int）on Combustion.［s.l.］：［s.n.］，1986：265－273.

［5］陈志华，涂善东，王正东.大型球罐整体热处理改进方法与数值模拟［J］.金属热处理，2004，29（3）：43－45.

［6］陈志华，涂善东，王正东.大型球罐整体热处理数值模拟［J］.石油化工设备，2003，32（6）：20－22.