CFD軟件在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程領(lǐng)域的應(yīng)用

宋 博，王衛(wèi)強(qiáng)，孟凡力，張曉博

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001 ）

CFD軟件在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程領(lǐng)域的應(yīng)用

宋 博，王衛(wèi)強(qiáng)，孟凡力，張曉博

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣工程學(xué)院， 遼寧 撫順 113001 ）

隨著CFD技術(shù)的逐漸發(fā)展和CFD軟件應(yīng)用的不斷成熟，CFD軟件在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越普及。對(duì)此有必要對(duì)CFD軟件在油氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行歸納總結(jié)，主要介紹了CFD軟件的基本原理，計(jì)算流程以及常用的軟件舉例；分別敘述了CFD軟件在管道順序輸送、管道運(yùn)行安全、油罐等方面上的應(yīng)用，并對(duì)CFD軟件存在的不足進(jìn)行簡(jiǎn)單概括分析，對(duì)于今后CFD軟件在油氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域更進(jìn)一步的應(yīng)用具有重要意義。

CFD軟件；油氣儲(chǔ)運(yùn)；數(shù)值模擬

油氣儲(chǔ)運(yùn)就是指石油、天然氣及其他油氣產(chǎn)品的儲(chǔ)存與運(yùn)輸。在石油化工行業(yè)，它是聯(lián)接油氣生產(chǎn)、資源加工、產(chǎn)品運(yùn)輸、商品銷售等諸環(huán)節(jié)的重要紐帶。該領(lǐng)域主要包括油氣集輸與礦場(chǎng)加工、油氣長(zhǎng)距離運(yùn)輸、轉(zhuǎn)運(yùn)樞紐站的儲(chǔ)存和裝卸、終點(diǎn)分配油庫(kù)（或配氣站）的營(yíng)銷、煉油廠和石化廠的油氣儲(chǔ)運(yùn)等[1]。近年來(lái)隨著石油化工行業(yè)的迅速崛起，油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)也得到了高速發(fā)展。因此僅僅依靠簡(jiǎn)單的理論分析和試驗(yàn)研究已經(jīng)滿足不了日漸發(fā)展的行業(yè)需求，所以必須采取更加有力的措施來(lái)解決油氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域遇到的各種難題。CFD軟件針對(duì)這種情況下為解決遇到的實(shí)際問(wèn)題提供了便利條件，推動(dòng)了油氣儲(chǔ)運(yùn)行業(yè)的發(fā)展。

CFD軟件(Computational Fluid Dynamics），中文是計(jì)算流體力學(xué)，它是基于現(xiàn)代CFD技術(shù)開(kāi)發(fā)出來(lái)的數(shù)值模擬應(yīng)用軟件， 主要用來(lái)模擬仿真實(shí)際的流體流動(dòng)情況。CFD軟件是現(xiàn)代流體力學(xué)，數(shù)值計(jì)算和計(jì)算機(jī)科學(xué)三者良好結(jié)合的產(chǎn)物。計(jì)算流體力學(xué)是基于離散化的數(shù)值計(jì)算方法，利用電子計(jì)算機(jī)對(duì)流體相對(duì)于不同固體邊界的內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)模擬和分析研究，以解決各種實(shí)際問(wèn)題，屬于流體力學(xué)的一個(gè)分支[2,3]。流體力學(xué)問(wèn)題是油氣儲(chǔ)運(yùn)工程中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題。因?yàn)榱黧w具有復(fù)雜的流動(dòng)性，理論分析無(wú)法求出的全部詳細(xì)的解析解，但計(jì)算流體力學(xué)（CFD）迅速的興起以及CFD軟件的靈活運(yùn)用，很好地克服了理論分析與實(shí)驗(yàn)研究的弱點(diǎn)，數(shù)值模擬形象地再現(xiàn)了流動(dòng)情況，為解決油氣儲(chǔ)運(yùn)工程領(lǐng)域中的重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題提供了解決方法。

CFD軟件具有適應(yīng)性強(qiáng)、適用面廣、操作方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。所有CFD軟件的總體結(jié)構(gòu)包括；前處理、求解器、后處理三部分組成。與之分別對(duì)應(yīng)的三部分應(yīng)用程序模塊為前處理器、求解器以及后處理器，各部分均有其獨(dú)特的作用[3]，如表1所示。

表1 CFD的程序模塊Table 1 The program modules of CFD software

圖1所示的是CFD軟件的計(jì)算流程。

圖1 CFD軟件的計(jì)算流程圖Fig.1 The calculation process of CFD software

目前世界上廣泛應(yīng)用的CFD軟件有很多（如CFX、Fluent、Phoenics、Star-CD、FIDAP等），除了Fluent、FIDAP是美國(guó)公司開(kāi)發(fā)的軟件外，其它三個(gè)均為英國(guó)公司的產(chǎn)品。油氣儲(chǔ)運(yùn)工程領(lǐng)域中較為常用的CFD軟件有Phoenics、Fluent、CFX等。

1 CFD軟件在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程領(lǐng)域上的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 CFD軟件在管道順序輸送中的應(yīng)用

在同一種管道內(nèi)，按一定批量和次序連續(xù)輸送不同種類的油品，這種輸送方式稱為順序輸送。管道順序輸送是油品的主要運(yùn)輸方式[4]。輸油管道在順序輸送的過(guò)程中可能會(huì)遇到多種情況，例如油品的混輸問(wèn)題、管路安全停輸時(shí)間等問(wèn)題。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究者利用CFD軟件應(yīng)用在成品油順序輸送上，模擬成品油順序輸送的油品的混油問(wèn)題以及確定安全停輸時(shí)間等實(shí)際問(wèn)題，為以后的管道優(yōu)化運(yùn)行提供方便條件。

趙海燕[5]利用FLUENT軟件，經(jīng)過(guò)多次調(diào)整，建立順序輸送的混油模型，應(yīng)用FLUENT軟件中的求解器對(duì)順序輸送的傳質(zhì)擴(kuò)散問(wèn)題進(jìn)行模擬計(jì)算，并分析了不同工況下對(duì)順序輸送混油的影響，為更深入研究油品輸送工藝提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)，也為FLUENT軟件在今后管道順序輸送模擬中的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用做出貢獻(xiàn)。

劉揚(yáng)[6]等以地勢(shì)較復(fù)雜的慶哈（大慶-哈爾濱）埋地輸油管道為例，并以停輸最危險(xiǎn)管段為研究對(duì)象，為確定該管段的安全停輸時(shí)間進(jìn)行分析。首先建立該埋地輸油管路停輸后的非穩(wěn)態(tài)傳熱模型，利用CFD軟件模擬原油溫降規(guī)律，在求解出停輸后的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，以預(yù)測(cè)該管段的合理的停輸時(shí)間。預(yù)測(cè)結(jié)果為慶哈輸油管線以后的安全生產(chǎn)運(yùn)行提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

1.2 CFD軟件在管道運(yùn)行安全中的應(yīng)用

管道輸送是石油，天然氣最經(jīng)濟(jì)、最合理的運(yùn)輸方式。油氣輸送管道在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的服役后會(huì)因?yàn)閮?nèi)外部作用，腐蝕、管材本身和施工質(zhì)量等因素發(fā)生泄露進(jìn)而引起火災(zāi)和爆炸事故造成重大損失。所以管道的安全運(yùn)行也尤為重要。腐蝕、泄露、爆炸是管道運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常遇到的。為防止此類事故出現(xiàn)，CFD軟件可以根據(jù)的相應(yīng)情況進(jìn)行仿真模擬，從而把損失程度降低到最小。

李一慶[7]等人借助CFD 軟件對(duì)中西部地區(qū)天然氣集輸管道的泄漏擴(kuò)散進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)比分析了不同風(fēng)速、泄露傾角對(duì)泄露擴(kuò)散的影響以及天然氣泄露擴(kuò)散過(guò)程分布規(guī)律和危險(xiǎn)區(qū)大小，為天然氣管道的實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行和緊急救援提供參考。

李亮[8]等以遼河油田柱氣管線為例，運(yùn)用CFD軟件對(duì)彎管中的多相流沖刷腐蝕進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)不同角度彎管的多相流參數(shù)及腐蝕進(jìn)行分析。通過(guò)觀察彎管云圖可以得出隨著彎曲程度的增加液相和顆粒相分布和壁面磨損區(qū)域后移且數(shù)值慢慢變大。

秦政先[9]針對(duì)天然氣管道，利用FLUENT軟件對(duì)管道進(jìn)行天然氣泄露擴(kuò)散和爆炸數(shù)值模擬和后果分析?？偨Y(jié)出天然氣管道泄露后的擴(kuò)散和爆炸規(guī)律，模擬結(jié)果完全符合擴(kuò)散、著火爆炸理論，驗(yàn)證了選用的模型，方法的準(zhǔn)確性。為今后天然氣管道的事故預(yù)防、事故研究、以及應(yīng)急救援等方面提供了技術(shù)支持。

1.3 CFD軟件在油罐問(wèn)題中的應(yīng)用

油罐是重要的石油儲(chǔ)備設(shè)施，油品在儲(chǔ)運(yùn)作業(yè)中難免會(huì)發(fā)生油氣泄露的情況，此時(shí)不但會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，污染環(huán)境、人員傷亡，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生爆炸、二次污染情況發(fā)生，事故造成后果往往是無(wú)法彌補(bǔ)的。所以近年來(lái)很多研究人員利用CFD軟件研究油罐的泄露，油罐的爆炸、罐內(nèi)油溫溫降等多種情況為以后的油罐的安全設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理提供了理論借鑒。

鄭志偉[10]等利于CFD軟件模擬了立式油罐罐底滲漏油品的滲流場(chǎng)分布，首先建立符合實(shí)際的幾何模型，經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分及相應(yīng)的邊界條件設(shè)定，利用CFD軟件中的FLUENT研究分析不同滲透量、滲透位置、油品對(duì)滲流場(chǎng)的影響。為以后油罐罐底的滲漏研究及油品污染危害后果評(píng)價(jià)提供了一定的幫助。

趙祥迪[11]等人借助CFD軟件針對(duì)埋地油罐的油氣爆炸危險(xiǎn)性進(jìn)行了事故模擬研究。以某加油站埋地管道為例，按照實(shí)際油罐情況建模，運(yùn)用一種基于CFD技術(shù)開(kāi)發(fā)的FLACS軟件對(duì)不同油氣爆炸濃度下的埋地油罐以及油氣爆炸后的破壞情況進(jìn)行分析研究。埋地油罐中油氣爆炸發(fā)生、發(fā)展規(guī)律及爆炸壓力的影響對(duì)油罐安全防護(hù)、為國(guó)內(nèi)提供相對(duì)缺乏的數(shù)據(jù)資料具有重要意義。

郭曉峰[12]利用FLUENT軟件對(duì)儲(chǔ)罐的溫降過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先分析了錦州石化公司商業(yè)儲(chǔ)罐區(qū)的實(shí)際數(shù)據(jù)，以原油儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，得出模擬結(jié)果，觀察不同高度下油罐溫降溫度的分布云圖，同時(shí)與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出環(huán)境溫差可以導(dǎo)致原油密度發(fā)生變化進(jìn)而造成對(duì)流換熱加快散熱速度。分析結(jié)果為以后的儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。

2 CFD軟件的不足

雖然CFD軟件在很多領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，但相對(duì)而言CFD軟件還是一個(gè)比較年輕的軟件，在油氣儲(chǔ)運(yùn)工程領(lǐng)域的理論技術(shù)上、前處理階段上、結(jié)果驗(yàn)證等方面還存在很多不足之處。

流體力學(xué)問(wèn)題是油氣儲(chǔ)運(yùn)方面的難點(diǎn)問(wèn)題，流體力學(xué)的數(shù)學(xué)提法是基于非常復(fù)雜的多維非線性的偏微分方程組，例如N-S方程。N-S方程是現(xiàn)代流體力學(xué)的主干方程，幾乎所有涉及到粘性流體流動(dòng)問(wèn)題的分析研究工作都是以該方程為基礎(chǔ)的，但它的求解過(guò)程非常困難和復(fù)雜[13]。只有在某些特別簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)情況中才能求得解析解。非線性的偏微分方程組數(shù)值解法的理論基礎(chǔ)薄弱，這就使得目前為止N-S方程本身還是一個(gè)沒(méi)有解的難題，所以CFD軟件在理論上就存在先天不足。

目前使用商用CFD軟件模擬復(fù)雜流場(chǎng)問(wèn)題時(shí)，消耗在幾何建模和網(wǎng)格生成上的時(shí)間常常大于實(shí)際CFD軟件計(jì)算的時(shí)間。建模速度和網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)CFD軟件的計(jì)算效率和精度有著重要影響。所以計(jì)算精確、高效省時(shí)的前處理器是對(duì)整個(gè)過(guò)程尤為重要。CFD軟件只提供相對(duì)簡(jiǎn)單的幾何建模功能，但對(duì)于復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)模型就需要借助專用的CAD軟件（如Pro/ENGINEER）來(lái)完成幾何建模過(guò)程。網(wǎng)格生成是一個(gè)“漫長(zhǎng)而枯燥”的工作過(guò)程。完成這項(xiàng)繁雜的工作極為耗時(shí)且容易出錯(cuò)。因此，完善CFD的幾何建模功能、簡(jiǎn)化網(wǎng)格生成量、減少網(wǎng)格生成的工作量、提高網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜的流體模型自適應(yīng)能力以及幾何建模功能的靈活性等對(duì)于CFD軟件在油氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域今后的應(yīng)用具有重要意義。

CFD軟件的模擬結(jié)果一般采用與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證CFD軟件的可信度問(wèn)題。但目前還存在很多問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上，比如，某些實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身就不是十分精確，這與CFD模擬比較就會(huì)出現(xiàn)偏差。還有就是可用的，精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并不多，尤其是在復(fù)雜的流動(dòng)情況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果更是寥寥無(wú)幾。所以這是影響CFD結(jié)果可信度的重要原因。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著石油化工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，CFD軟件在油氣儲(chǔ)運(yùn)領(lǐng)域上還有很大的發(fā)展前景。基于CFD軟件的數(shù)值模擬同試驗(yàn)研究相比，有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：運(yùn)行成本低、計(jì)算高效省時(shí)，運(yùn)算結(jié)果精確、氣候條件干擾性小、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的全面性等方面。雖然CFD軟件具有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是還不能完全代替試驗(yàn)研究，所以在以后的實(shí)際應(yīng)用中還需根據(jù)相應(yīng)的實(shí)際情況將已有的理論分析、試驗(yàn)研究、和仿真模擬三者有效地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行考慮。

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Application of CFD software in Oil & Gas Storage and Transportation Engineering

SONG Bo，WANG Wei-qiang，MENG Fan-li，ZHANG Xiao-bo
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

With the rapid development of CFD technology, CFD software becomes more and more mature, and application of CFD software in the oil &gas storage and transportation engineering field is becoming more and more popular. In this paper, application status of CFD software in the field of oil & gas storage and transportation engineering was introduced as well as its basic principle and working process. Besides, application of CFD software in three aspects including pipeline transportation, the safe operation of pipeline, and the oil tank was discussed. And shortcomings of the existing CFD software were analyzed.

CFD; Oil & gas storage and transportation engineering; Numerical simulation

TE 82

： A

： 1671-0460（2015）02-0310-03

2014-09-12

宋博（1990-），男，遼寧阜新人，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向：油氣長(zhǎng)距離管輸技術(shù)。E-mail：lshsongbo@163.com。