IFV汽化器海水渠局部溢流问题研究

曾兆强，许颖，王晓阳，张红斌，王金华，杜秋晨

（1.中海油石化工程有限公司，济南 250101；2.上海液化天然气有限责任公司，上海 200000；3.山东省思威安全生产技术中心，济南 250014）

海水渠是LNG 中IFV 汽化系统中重要的组成部分，目前海水渠的设计，基本上依据传统流体力学计算方法和经验进行设计，无法获得海水渠局部扰动和局部阻挡对海水流体的影响，导致海水渠的排放能力与实际不匹配，为了适应现代工程精细化设计，采用新型设计方法研究势在必行。

随着计算流体力学（CFD）的飞速发展，CFD软件在流体力学仿真领域中得到了广泛的应用，具有周期短、成本低等优点，其物理模型的可靠性不断提高，仿真结果越来越接近实际，可以预测局部流场分布、流速分布等参数，为工程设计提供准确可靠的参考依据[1-2]。本文通过CFD 技术对不同工况下海水渠内的流场进行了分析，通过Fluent 软件对海水渠流场进行数值模拟，为海水渠的优化和改造提供直观、可视化的参考依据。

1 计算模型

1.1 物理模型

现有海水渠总长366.2 m，上游端部实际深度1.408 m，坡度3.5‰，渠宽5 m。IFV 海水排放管道为φ900 mm×9.53 mm，管道排水端口位于水渠中，为了支撑排水管道，在海水渠内部设置了4 个900 mm×900 mm 大小的钢筋水泥支墩，支墩上表面距离海水渠上表面0.1 m，见图1。

图1 海水渠纵向断面图Fig.1 Longitudinal sectional view of the sea channel

如图1所示，D1=366.200 m，D2=6.300 m，D3=13.000 m，D4=9.500 m，D5=6.420 m，D6=1.408 m，使用前处理软件GAMBIT 建立模型并进行网格划分，为了模拟海水溢出，仿真模型中D6=2.408 m。

1.2 数学模型

1.2.1 控制方程

海水渠内流动属于湍流，流体为黏性不可压缩流体，满足连续性方程（1-1）和Navier-Stokes 方程（1-2）[3]，控制方程如下：

式中ρ——流体密度；

t——时间；

u——速度矢量；

u、v、w——速度矢量在x、y、z方向的分量；

p——压力；

F——源项。

1.2.2 湍流模型

采用标准K-ε方程[3]，其对应的输运控制方程为：

式中Gk——由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；

Gb——由于浮力引起的湍动能k的产生项；

YM——可压湍流中脉动扩张的贡献；

C1ε、C2ε、C3ε——经验常数；

σk、σε——分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl 数；

Sk、Sε——自定义的源项；

ρ——流体密度；

u——流体速度；

μ——流体动力粘度。

对于不可压流体，Gb=YM=0，Sk=Sε=0，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

1.2.3 多相流模型

采用欧拉-欧拉多相流模型中的VOF 模型[4-5]，VOF 模型可以较准确获得两种或多种不相融流体的交界面，不同组分共用一套动量方程，通过体积分数变量实现对每个计算单元相界面的追踪，所有相体积分数之和满足式（1-5），海水渠计算采用水和空气两相进行计算，单元平均密度通过式（1-6）体积分数计算，对于两相表面张力F通过方程（1-7）控制，即动量方程中的源项[6]。

式中αi——第i相体积分数；

ρ——平均密度；

ρ1——第一相流体密度；

ρ2——第二相流体密度；

F——表面张力；

k1——第一相流体表面曲率；

σ12——两相表面张力系数。

1.3 计算工况分析

目前在运行IFV 海水管4 套，拟增加IFV 海水管4 套，设计方案7 开1 备，存在8 台IFV 同时运行工况。针对目前工况分析，主要从验证现有模型的正确性和扩建后水渠是否溢流的情况开展工况分析，制定下列四个工况并完成分析，见表1。

表1 IFV 海水渠计算工况Tab.1 Calculation condition of IFV sea channel

2 数值模拟分析

2.1 边界条件和解析条件

采用Gambit 软件建立海水渠计算三维模型，并使用六面体和四面体混合网格分区进行网格划分，共划分网格约113 万个，网格模型如图2所示。

边界条件：根据表1 计算工况设置IFV 开启数量和支墩数量，IFV 排水口采用速度入口，大小3.313 m/s，液体体积分数为1，出口采用压力出口，大小标准大气压，海水渠墙体采用wall 边界条件。

解析条件：采用基于压力基的非稳态求解器，采用不可压缩流动的标准k-ε湍流模型，多相流采用体积分率模型VOF，离散方程的求解采用求解压力耦合方程组的隐式算子分割算法PISO，收敛残差设为1×10-6，时间步长0.001 s。

图2 海水渠模型网格Fig.2 Grid of sea channel model

3 计算结果和分析

3.1 工况1 模拟结果

4 台IFV 运行工况水渠流态验算，模拟结果如图3～4。

图3 4 台IFV 运行工况海水渠纵向管道中心面相图Fig.3 The central surface phase diagram of the longitudinal pipeline of 4 IFV operating conditions

图4 4 台IFV 运行工况海水渠横向截面相图Fig.4 Phase diagrams of the horizontal sections of 4 IFV operating conditions

图5 4 台IFV 运行工况海水渠现场图Fig.5 The scene graph of 4 IFV operating conditions of sea channels

由图3～4 可知，水渠内高液位区为4 台IFV 海水管入口区域，水渠下游液位降低。水区内最高基础液位区位于第3 与第4 支墩之间，根据波动理论，高液位区瞬时液位存在飞溅可能。模拟结果与现场实际运行状况（图5）相符，即Fluent 模拟液位高低趋势与现场运行情况具有一致性。

综合工况1 的分析，证明采用Fluent 模拟海水渠运行情况拟合度较高，对海水渠改造具有指导意义，模拟方案可行。

3.2 工况2 模拟结果

扩建后8 台IFV 运行工况水渠流态计算（有支墩），模拟结果见图6～7。

图6 8 台IFV 运行工况海水渠纵向管道中心面相图Fig.6 The central surface phase diagram of the longitudinal pipeline of 8 IFV operating conditions

图8 8 台IFV 运行工况最高液位相图Fig.8 Phase diagram of the highest liquid level of 8 IFV operating conditions

如图6所示，8 台IFV 运行时，由于流量增大，在支墩和水柱的阻挡作用下，自水渠上游至第8 个进水口液位逐步升高，最高液位在第7 个水柱附近。图7～8 的局部放大图说明8 台IFV 同时满负荷运行时水渠内基础水位将高于池壁溢出。

3.3 工况3 模拟结果

扩建后7 开1 备运行工况水渠流态计算（有支墩），模拟结果见图9～10。

图9 7 台IFV 运行工况海水渠纵向管道中心面相图Fig.9 The central surface phase diagram of the longitudinal pipeline of 7 IFV operating conditions

图10 7 台IFV 运行工况海水渠横向截面相图Fig.10 Phase diagrams of the horizontal sections of 7 IFV operating conditions

图11 7 台IFV 运行工况最高液位相图Fig.11 Phase diagram of the highest liquid level of 7 IFV operating conditions

如图9～10所示，7 台IFV 运行时，水渠内基础水位虽然略低于池壁，但飞溅问题仍然存在，且飞溅范围将延长至下游第7 个海水入渠处，在上游100 m区域内出现溢流，针对这种情况制定了加高的措施，并建议远期取消渠内的支墩。

3.4 工况4 模拟结果

扩建后8 台IFV 运行工况水渠流态计算（无支墩），模拟结果见图12～14。

图12 8 台IFV 运行工况海水渠纵向管道中心面相图（无支墩）Fig.12 The central surface phase diagram of the longitudinal pipeline of 8 IFV operatingconditions（no piers）

图13 8 台IFV 运行工况海水渠横向截面相图（无支墩）Fig.13 Phase diagrams of the horizontal sections of 8 IFV operating conditions（no piers）

图14 8 台IFV 运行工况液位相图（无支墩）Fig.14 Phase diagram of the highest liquid level of 8 IFV operating conditions（no piers）

由图12～13 可知，水渠中4 个支墩去掉后，8台IFV 同时运行情况，水位较有支墩工况下降，证明支墩是导致海水渠局部液位升高的原因，同时水流水柱也是液位升高的原因之一，受水流液柱阻挡作用，局部区域液位仍然高出池壁，存在溢出风险。

3.5 各工况渠内最高水位对比

通过各工况计算结果对各工况下海水渠最高水位进行对比见图15，对比分析如表2所示。通过工况对比分析说明计算模型与实际运行相符，模型满足工程模拟预测要求，通过模拟计算扩建后水渠容量不能满足IFV 设计运行工况，海水渠存在海水局部溢出的可能，为降低海水溢出和飞溅风险，海水渠需要加高。

图15 4 种工况最高液位相图对比Fig.15 Comparison of phase diagrams of the highest liquid level in 4 operating conditions

表2 4 种工况对比分析Tab.2 Comparative analysis of 4 operating conditions

4 结论

本文通过CFD 软件Fluent 中多相流VOF 模型对IFV 系统海水排放渠道进行了流场模拟分析，得出以下结论：

（1）通过目前运行状况，对CFD 计算模型进行了可靠性对比，模拟结果与现场对比具有一致性，证明计算模型可用于海水渠各工况的模拟，由于海水管在渠内的支墩对海水流场的阻挡和扰流导致局部水位增高，是造成海水飞溅的主要原因。

（2）通过对模拟扩建后的流场液位以及局部海水飞溅现象分析，现有海水渠不能满足扩建后IFV运行工况，海水渠池壁需要加高。

（3）通过各工况下海水渠模拟液位分析，需在海水渠上游100 m 的池壁范围加高1 m，由于原海水渠结构不适合在上部直接加高，需采用独立结构加伸缩缝密封方式加高。

（4）从海水渠溢流问题看出水渠设计时不应仅简单计算截面积，不应在渠内设置支墩，如果有多个排入口，还需考虑排水口对水流的影响。这些都使得实际水渠流通面积减小，壅水高度增加。