基于FLUENT的大型储油罐内原油非稳态传热的数值模拟

基于FLUENT的大型储油罐内原油非稳态传热的数值模拟摘要：本文针对大型浮顶储油罐内原油的温降问题，应用计算流体软件FLUENT对储油罐内原油的温降过程进行了数值模拟，得到了在自然冷却条件下，原油在浮顶储油罐内温降过程中温度场和速度场的分布图。通过数据对比，得到计算流体软件计算的数值与实际测试的数值吻合较好，相对误差在3%以内。关键词：储油罐温降FLUENT数值模拟一、物理模型的建立本文利用FLUENT软件对大型储油罐的温降进行了模拟计算。图1为储油罐的二位几何模型，对此物理模型的相关假设如下：①认为罐内横向温度温度分布均匀，所以只对纵向二维温度场进行计算；②对计算区域进行简化，取过油罐中心轴的径向切面为研究对象，变三维问题为二维问题；③忽略太阳与油罐间的虑辐射换热；④忽略原油内部物理化学因素而产生的内热源，忽略油罐边缘以及底部原油和石蜡的凝固潜热；⑤假设外界环境温度近似为随时间变化的周期性函数；⑥将储油罐浮顶近似处理为单层钢板，同时也将罐壁、罐底假设为均匀的等厚钢板。其中各符号的具体意义为：To——为稳罐后储油罐内原油的初始平均温度，为常数；Td——为大地恒温层处土壤的温度，为常数；T1——为大地温度场的初始温度分布；fw——为储油罐壁（保温层外侧）环境的温度函数；ft——为储油罐顶部环境温度的分布函数；H1——为浮顶储油罐内原油液位的高度（10.1米）；H2——为储油罐罐底钢板到大地恒温层的深度（2H=10米）；R——为储油罐径向平面半个平面的宽度；δ1——为保温层厚度，保温层平均厚度（δ1=80毫米）；δ2——为储油罐罐壁平均厚度（δ2=10毫米）；δ3——为储油罐顶板厚度（δ3=5毫米）；δ4——储油罐底板的平均厚度（δ4=10毫米）；二、数学模型控制方程的直角坐标张量符号形式如下所示质量守恒方程：0iiuxt（1）动量方程：iijijijijiFgxxpuuxut（2）其中p为静压，τij为应力张量，gi和Fi分别为i方向上的重力体积力和外部体积力，式中：ijiiijjiijxuxuxu32（3）能量方程：heffijjjjjieffiiiSuJhxTkxpEuxEt)('''（4）其中E为内能，keff是有效热传导系数，Jj’是组分j’的扩散流量。而且hj’为同分子物质的焓值，Sh包括了化学反应热以及其它用户定义的体积热源项。式中：22iuphE，phmhjjj'''，mj’是组分j’的质量分数。湍动能k方程为：kjktjiiGxkxxkutk)()(（5）湍动能耗散ε方程为：kCGkCxxxkutkjtjii221)()(（6）''21iiuuk；kikitxuxu''；jiijjitkxuxuxuG；2kCt在标准k-ε模型中，C1ε、C2ε和C3ε为经验常数；σk和σε分别是与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；根据Launder等的推荐以及后来的验证，有下式：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。三、边界条件1、储油罐顶部与大气直接接触，它们之间的热交换主要形式是对流换热。公式表示为：)(twfThnT其中：λ——为钢的导热系数，W/(m·℃)；Tw——钢表面温度，℃；ft——大气温度函数，℃；Γ——边界；h——大气与钢板间的对流换热系数，W/(m2·℃)。2、储油罐底部基座为大地，取大地温度恒温层位置2H=10米，近似认为基座左边界上为绝热。应用公式表示为：qyT其中：q——为热流密度q=0，W/m2；λ——大地的导热系数，W/(m·℃)；Γ——边界。3、储油罐基座底边，由罐底向下10米深处为（2H=10米）恒温。用公式表示为：dTTTd——储油罐底向下10米处至无穷远处温度，为常数[***]为2.2℃，Γ——边界。4、同理可知罐壁为第三类边界条件，对称轴边界上为绝热边界条件。四、结论1、高温区并非集中在油罐中心，而是相对在靠近罐壁附近的原油温度最高。2、在自然对流过程中，原油温降的流动分为两种形式，一是沿着原油上液面—对称轴—罐底—侧壁面这一路进行，这是主要形式；二是在靠近罐壁处原油沿着罐壁向下形相对一形式逆时针形态的涡流。3、对比分析现场实测数据与应用FLUENT模拟计算的结果数据，实验值与数值计算值的相对误差在3%以内，符合工程上的要求。参考文献：[1]王明吉、张勇、曹文：《立式浮顶原油储罐温降规律》[J]．油田地面工程，2005,24(12)：11~12．[2]大庆油田有限公司储运销售分公司：《储油罐温度分布和温降规律研究评定材料之八》,储运销售分公司档案室，2001.[3]王福军：《计算流体动力学分析》[M]．北京：清华大学出版社，2004.