汽油罐内收发油流动模拟研究

王 艺，刘 洋，黄慧杰

(中国石油大学(北京)油气管道输送安全国家工程实验室，北京 102249)

我国是能源进口与消费大国，随着国民经济的发展，对于汽油的需求也日益增加.表1列出了近年来我国汽油消费总量的详细数据[1].因此，用于存储汽油的内浮顶罐的建设也加快了步伐.在实际的生产与储存过程中，对于汽油这种质量标准严格的油品来说，尽可能地保证其收发油前后的品质不变是一直以来备受油库等企业关注的问题.除了最主要的成分烷烃以外，汽油还含有极少量的硫、水、铅、多环芳烃、胶质等.这些物质一旦进入储罐后会在重力作用下逐渐沉积，因此长时间储存的油罐内可能导致局部汽油某一指标超标，甚至可能形成“死油区”.因此，保证汽油在罐内的均匀性，监测其在罐内的流动对改善收发油工艺以及控制汽油质量具有重要意义.

表1 国内汽油消费总量

目前，油库对于储罐内油品的监控是从量油孔下放储罐采样器进行采样化验.量油孔的位置是固定不变的.沿着罐壁高度的方向，量油导向管的壁面开有小孔以便能够流入油品而不只是从管底部进油[2].然而，这种设计并不能有针对性地对储罐中某一点位置的油品进行取样，所以采出的样品具有一定的局限性.由于现阶段探测大型罐内沉积的方法有限，用数值模拟的方法来获得汽油装卸时的流场特性，进而预测可能形成的“死油区”具有成本较低、易于实现等现实意义.相关研究归纳如下.

Hassanvand等[3]利用VOF模型深入探究了卧式油罐喷射装油的规律，考察了不同的温度、装油速度等操作对汽油损耗蒸发的速率和质量的影响规律.蒸发速率由界面处的源项确定，确定了加载速度、温度和初始蒸气质量分数对汽油损失的影响.Dakhel和Rahimi[4]用CFD的方法模拟两种混合原油均质化，预测了从19 000 m3浮顶储罐中的不同高度获得的两层原油的均质时间.模拟结果可以预测3D区域中的速度、压力、湍流强度场和其它特征，可以监视罐中两种类型原油的不稳定分布.虽然此篇论文是模拟原油均质化，但对汽油流场模型的建立具有借鉴意义.Nagashima等[5]的研究也为设计一个浮顶罐数值模型提供了指导.黄维秋等[6]基于VOF模型、扩散传质模型和RNG k-ε湍流模型，对汽油喷溅式装油损耗进行数值模拟研究并进行实验验证，探究了在不同的装油高度、速度和初始浓度下汽油在拱顶罐内的油品蒸发扩散规律，为油罐收油损耗评估提供重要参考.另外，为了验证大型罐具有相似的规律，建立了一个大型固定顶罐(直径2 370 cm、罐高1 270 cm、油罐总高1 530 cm、装油口直径20 cm、装油口距罐底40 cm、罐顶通气孔直径25 cm)，计算结果说明了此数值模拟方法同样适合于大型罐.赵晨露等[7]基于单相扩散传质模型和RNG k-ε湍流模型，采用UDF建立油气扩散模型，分析了通气孔分别位于罐壁和罐顶时罐内的油气扩散机理，给出了二维内浮顶罐的计算模型，但是二维结构的模型对于组分动态分布的显示没有充分的细节，很难展现真实情况下的流场分布.李福双[8]利用室内实验和现场测试的方法，得到了浮顶罐内的温度场，研究了大型浮顶罐内长期储存原油沉降分层的规律，并提供了具体的建议.张琰等[9]研究了大型浮顶罐内原油与环境发生热交换而产生的低瑞利数的湍流热运动，探究了罐内流场的运动规律.

国内对于汽油罐内的蒸发损耗研究较多，上述研究大都针对汽油罐内的蒸发损耗和油气排放规律，并未涉及收发油工艺对储罐内流场特性的影响.本文主要从储罐收发油过程入手，依据计算流体力学理论，采用FLUENT软件，建立储罐网格模型并采用Coupled算法求解，模拟汽油装卸过程的流场特性，从而探讨在储罐收发汽油时流场特性对于汽油储存质量的影响并提出相应的防控对策，为有效控制储罐内汽油的品质提供借鉴.

1 罐内流场模型

内浮顶罐装油流动过程的模型分为两部分.一部分是数学模型，主要描述油品流动过程，利用基本控制方程和湍流方程进行求解.另一部分则是物理模型，建立三维流体域的网格模型，将流体域离散成适当尺寸的网格且保证网格质量.数学模型和物理模型至关重要，直接影响计算结果的正确性.因此，本部分详细介绍储罐收发油的数学物理模型.

1.1 数学模型

1.1.1 基本控制方程

质量守恒方程：

(1)

(2)

动量守恒：

(3)

1.1.2 湍流模型

油罐收发油过程中流体质点伴随有冲击、混合，呈现非稳定的流动.为保证计算结果的可靠性，需要选择合适的湍流模型.采用Realizablek-ε模型能够节省计算时间且满足精度要求，该模型简单、计算稳定性好、计算效率高而广泛被应用于各种湍流模拟中[10].Realizablek-ε双方程模型的湍动能k及耗散率ε输运方程为

(4)

(5)

1.2 物理模型

为了模拟大型内浮顶罐收发油流场，首先必须建立一个与真实内浮顶罐相符的物理模型.表2列出了石油行业不同容积大小的内浮顶罐的尺寸[11].选用其中较大的20 000 m3内浮顶罐(罐高15.5 m、内径40.5 m)，用ICEM软件建立三维物理模型，并设置进出口直径为0.5 m，进出口中心线离罐底高度为0.75 m.实际计算时为了节省计算时间，将物理模型尺寸缩小到原来的1/10.

表2 内浮顶罐结构尺寸

1.2.1 模型假设

由于本文重点是模拟汽油罐内收发油流场，对模型作了如下假设：

(1)不考虑储罐的变形：只需建立罐内流场计算域；

(2)收发油速度保持恒定：一般储罐进出口流速控制在1.0 m/s～2.0 m/s左右，取两个恒定流速1.5 m/s和2.0 m/s为代表；

(3)忽略浮顶罐浮盘与油面之间的空隙：实际上浮盘环形空间区域和油面之间的空隙相对于大罐来说非常小，为了简化计算，可忽略；

(4)不考虑温度变化对汽油流场造成的影响.由于本文主要研究汽油流场分布，且温度变化对汽油影响较小，因此不考虑传热；

(5)不考虑汽油的挥发，始终作为单相流处理；

(6)油罐中浮盘初始高度为1.5 m，浮盘以下充满汽油.

1.2.2 几何模型

油罐几何模型如图1所示，采用结构化网格.模型由拱顶、罐壁、进出口以及浮盘组成.浮盘随着收油过程汽油的充装上升至罐高一半处便不再上升、停止收油；随着发油过程汽油的泄流下降至发油孔处不再下降、停止发油.因此，计算过程中计算区域是随着浮盘的运动而实时变化的，需采用动网格进行计算.对储罐壁面和进出口位置处的网格进行局部加密以适应壁面附近出现的较高速度梯度，如图2所示.初始网格的总数量在15万左右，随着浮盘边界的上升，数量还会逐渐增加.网格的总体质量如图3所示，介于0.34到1之间，表明网格质量良好[14].

图1 内浮顶罐网格图2 进出口网格边界层网格加密

图3 网格质量

浮盘的运动由FLUENT中的动网格模型进行定义.选用其中的层铺法根据运动边界的移动来合并和分裂网格[12]，其参数设置为：理论网格高度0.05 m、合并因子0.2、分裂因子0.4.浮顶运动时的网格变化，如图4所示.

图4 浮盘运动

2 罐内流场数值模拟

2.1 求解方法

本文采用的求解算法是耦合解法Coupled，其求解过程如下：

(1) 假定初始压力和速度等变量，确定离散方程的系数及常数项等；

(2)联立求解连续性方程、动量方程、能量方程；

(3) 求解湍流方程和其他标量方程；

(4)判断当前时步上的计算是否收敛.若不收敛，返回第(2)步，重新迭代计算.若收敛，重复上述步骤，计算下一时步的物理量.求解流程如图5所示.

图5 求解流程

压力项离散格式选用PRESTO格式，适用于所有形式的网格，但应用于四边形和多面体网格比应用于三角形和四面体网格具有更高的精度.动量方程离散格式选用QUICK格式.湍动能和湍流耗散率离散格式选取二阶迎风格式.时间推进采用隐式格式.

2.2 边界条件

FLUENT的边界条件主要分为入口、出口、对称面和壁面.入口边界又细分为速度入口和压力入口等，分别适用于不同的物理问题.本文所采用的边界条件如表3所示.

表3 边界条件

对于浮盘的运动设置，本文采取的实现方式是将进口的来油量换算成浮盘的运动速度.通过入口流入的体积流量来换算浮盘上升的速度.这样处理的好处是使模型更加简便且符合物理意义.通过profile来定义浮盘的运动速度.把浮盘视为刚体，不发生任何变形.与浮盘壁面邻近的流体域和罐壁面，会因为浮盘的运动而发生改变.所以将罐壁面设置为Deforming来实现网格的重新划分.

3 结果与分析

3.1 收油流场模拟

本文分别对收发油速度1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s的储罐工况条件进行模拟.为了得到罐内流动规律，首先以1.5 m/s为例进行分析，然后再将三个工况进行对比分析.模拟收油流场时，浮盘在最低液位即罐高1/10处开始充入汽油.当浮盘位置达到高液位(即储罐罐壁高度的1/2)时停止充油.为便于观察，罐内流场纵剖面如图6所示.

图6 罐内流场纵剖面示意图

在1.5 m/s的收油速度下，不同时刻的储罐纵剖面速度分布和这一剖面的平均速度大小如图7～图9所示.可见罐内流速下降很快，在距入口约0.5 m处速度整体小于1.0 m/s.储罐上方油品速度总是小于储罐底部，这是由于动能的传递和损耗导致.由速度分布图可知，随着充装时间的延长，入口附近的油品速度下降很快，速度梯度非常大.离入口越远处速度梯度越小(集中在0 m/s～0.5 m/s).随着油品的不断充入，由于能量的传递与耗散，罐内的速度差呈现减小的趋势.底部充入的油品不断涌入上层，上下层油品的能量和质量传递使得罐内速度分布更加均匀.由此可知，油罐进油时，罐内存油与新充入的油品存在一个均匀混合的过程，速度越大油品混合越均匀.速度非常小的区域内，油品逐渐沉积，其中的重组分如硫、芳烃等将会聚集在罐底，逐渐演化成“死油”.同时造成汽油品质的降低，影响其销售.因此，有必要找出罐内油品速度非常小的区域并加以分析.

图7 收油680s时的速度分布图8 收油1680s时的速度分布

图9 收油3330s时的速度分布图

储罐底部和与其对应位置的涡量图，如图10(a)和图10(b)所示.可以看出，罐底的流线环流位置和涡旋位置相同.可知在入口轴线两侧对称形成了流线旋涡.汽油一开始从进油口充入时，由于罐内始终存在汽油，所以会伴随着强烈的冲击、混合过程，因此在入口后的一段区域内，流体质点绕自身旋转的速率非常大，这也就促进了罐内各区域油品之间的质量和能量的交换，但是由于能量耗散很快，罐底其他部分的涡量急剧减小，这也印证了流场中速度在入口处与其他区域的速度梯度非常大的现象.旋涡中心流体速度很小以致接近于0 m/s.这是因为在浮盘处于低液位开始充油时，随着汽油的不断充入，油品流动到对侧罐壁后分为两部分，一部分油品顶着浮盘向上运动，一部分则达到对侧罐壁后沿着罐壁向入口方向流动，与之后充装的油品相汇，从而在入口两侧对称的形成两个旋涡，两侧旋涡中心的坐标(x，z)如图10所示.

图10 罐底面流场

3.2 不同工况条件下的对比分析

在上节分析的基础上，本节探究不同的收油速度对储罐低速区的影响，为确定合适的收油工艺提供参考数据.3个相同浮盘高度下收油流场的对比，如图11～图13所示.可知旋涡伴随着油品的充入一直比较规律地存在于入口中轴线两侧，而浮盘下面的旋涡会随着浮盘的运动逐渐扩大直至消失.

图11 浮盘处于罐高1/5处

图13 浮盘高度处于罐高的1/2处

浮盘处于低液位(罐高1/5处)的情况.收油速度越大，罐内的流线越密，表明对存油扰动越大，如图11所示.浮盘处于中液位(罐高1/3处)的情况.明显看出较上一阶段，罐内的速度随着收油速度增大而减小，如图12所示.且速度梯度也变小.油品速度较高的位置在入口中轴线以及四周罐壁区域.是浮盘处于高液位(罐高1/2处)的情况，如图13所示.不同速度条件下的收油流场基本相似.收油速度越大，流场的整体速度越大，越有利于油品之间的掺混，进而越不容易存在沉积等问题.

由前面的分析可知，罐底油品速度非常小的区域最有可能发生油品沉积进而形成“死油区”.那么对于不同的收油速度下，这些区域的大小可以如图14所示.收油速度从1.0 m/s到1.5 m/s，再到2.0 m/s，其罐底速度小于0.01 m/s的区域呈现出减小的趋势.收油速度越大，这种低速区越小，也就表明油品越不容易发生沉积.这符合实际情况，因为收油速度越大，由于能量的传递，罐内油品的速度也会相应的提高.

图14 罐底速度分布

收油速度从1.0 m/s到1.5 m/s，再到2.0 m/s，其罐底速度小于0.01 m/s的区域呈现出减小的趋势.收油速度越大，速度小于0.01 m/s的区域越小(图中以1.0 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s时的收油时罐底小于0.01 m/s的区域面积占底面总面积比例分别为37.2%、16.7%和9.4%)，也就表明油品越不容易发生沉积.这符合实际情况，因为收油速度越大，由于能量的传递，罐内油品的速度也会相应的提高.然而，在实际过程中，并不是收发油速度越大越好，因为考虑到汽油具有较强的挥发性，激烈碰撞和扰动都会使汽油的损耗增大.因此，选择较为合适的收发油速度对汽油的收发很重要.

3.3 避免“死油区”形成的措施

为了有效避免上述罐底低速区的油品沉积，本文在罐底的进油管上设置了多个扩散孔，通过数值模拟探讨扩散孔的防沉积作用.带扩散管的储罐几何模型局部结构如图15所示.储罐尺寸与原模型的尺寸相同，不同的是底部进油管线伸入罐中，且扩散管两侧带有出油孔，其作用是将充入的汽油均匀地向罐底各个方向流动，一方面能够对已形成的沉积油起到一定的冲击作用，让沉积油再均匀地与罐内油品充分混合.另一方面能够抑制罐底低速区的形成，让底部各个区域的速度和脉动强度维持在一定的大小.

扩散管上的小孔加大了结构化网格划分的难度.扩散孔的直径是30 mm，扩散管的直径是50 mm，其长度接近罐底半径.为使网格单元大小能够捕捉扩散孔的几何特征，需尽可能的增大扩散孔周围的网格密度，因此在这种情况下又进一步地增大了扩散管周围局部网格的密度.划分的结构化网格如图16所示.

图15 扩散管几何模型及其在储罐中的位置图16 网格划分

网格的总体质量在0.5以上，网格的总体数量在19万左右.充油300s时的罐底速度分布如图17所示，扩散管两侧扩散孔能起到一定的扩散作用，其扩散作用取决于孔的位置和油品充入的速率.油品流向各个方向，一定程度上减小了罐内的速度梯度，促进了油品的掺混.另外，综合前面的分析，当只有在一个方向进油时，油品到进油孔对侧壁面后会有向上涌的趋势，这种趋势越强烈，对浮盘的冲击作用力也就越大，所以从这一方面考虑，扩散管对防止浮盘倾覆(尤其是对浅盘式浮盘)有利.从速度分布结果可见，扩散管越长、管壁两侧的扩散孔分布均匀且数量越多，越有利于油品在罐内的均匀混合.

图17 罐底速度分布

4 结 论

本文应用FLUENT数值模拟了汽油罐内收发油的流场，运用动网格移动边界技术模拟了浮盘的运动.研究了不同收发油速度下的罐内收发油流场的分布规律，通过速度场预测可能发生油品沉积的位置，并提出了避免沉积油形成“死油区”的建议和措施，说明了扩散管在储罐内使油品均匀分布的影响和作用.主要结论如下：

(1)随着汽油的不断充装，由于流体间能量和质量的交换，汽油刚开始在入口附近速度下降很快，速度梯度很大，往后速度梯度逐渐变小.罐底低速区随着充装速度的增大而减小.

(2)在浮盘处于低液位开始充油时，随着汽油的不断充入，油品流动到对侧罐壁后分为两部分，一部分油品顶着浮盘向上运动，一部分则达到对侧罐壁后沿着罐壁向入口方向流动，与之后充装的油品相汇，从而在入口两侧对称地形成两个旋涡.

(3)向上运动的油流经浮盘的阻挡后，也向着入口方向流动，而与不断充入的流体相汇后形成旋涡，旋涡不断向入口推移.

(4) 在储罐的进油管道上设置多个扩散孔，让进油时油品在各个方向都有一定的速度，可以在罐底均匀混合进油，从而有效抑制沉积油的形成.可以适当增大扩散管的长度，让进油时的扩散区域更大.