油船裝貨過程液艙油品蒸發(fā)的數(shù)值研究

張 乾，盧金樹，鄧佳佳，朱 祥，陳 云，石敦章

(1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022；3.舟山博睿船舶科技開發(fā)有限公司，浙江舟山 316000)

油船裝貨過程液艙油品蒸發(fā)的數(shù)值研究

張 乾1，盧金樹2，鄧佳佳2，朱 祥2，陳 云2，石敦章3

(1.浙江海洋大學(xué)船舶與機(jī)電工程學(xué)院，浙江舟山 316022；2.浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022；3.舟山博睿船舶科技開發(fā)有限公司，浙江舟山 316000)

雖然近年來部分油船安裝了VOCs回收系統(tǒng)使得油船在裝貨過程中VOCs排放量減少，但是油船仍是VOCs排放的主要來源。VOCs排放到空氣中不但使優(yōu)質(zhì)油品浪費(fèi)，而且還時(shí)刻威脅著裝載過程的安全，因此控制VOCs排放是解決問題的關(guān)鍵。本文針對油船裝貨過程中液艙內(nèi)油品的層流形態(tài)，基于擴(kuò)散傳質(zhì)模型與擾動(dòng)能理論提出一種蒸發(fā)模型，通過對Fluent的二次開發(fā)將該模型與VOF(Volume of Fluid)多相流模型及輸運(yùn)模型結(jié)合，研究油船裝貨過程中裝貨速度產(chǎn)生的擾動(dòng)能對液貨艙油品的蒸發(fā)影響。結(jié)果表明：數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)一致性良好，驗(yàn)證了蒸發(fā)模型的準(zhǔn)確性；同一裝載率下，裝貨速率越大，產(chǎn)生的擾動(dòng)能越大，蒸發(fā)速率越大；液貨艙油品蒸發(fā)大致可分為0-5%、5%-20%及20%-95%三個(gè)階段。此次研究可以為油船裝貨過程控制液貨裝載速度減少油品蒸發(fā)提供理論依據(jù)。

油船；液貨艙；蒸發(fā)模型；數(shù)值模擬

VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物）是油品蒸發(fā)產(chǎn)生的主要成分[1]，在油船裝貨作業(yè)過程中，VOCs極易排放至空氣中，不僅造成大氣污染和油品輕質(zhì)成分的浪費(fèi)[2]，還時(shí)刻威脅著裝貨作業(yè)的安全性。針對油品蒸發(fā)的研究，最初是MACKAY與MATSUGU基于經(jīng)典水蒸發(fā)理論和實(shí)際生產(chǎn)中獲得的數(shù)據(jù)提出的半經(jīng)驗(yàn)油品蒸發(fā)公式[3]，并指出在非限制空間中油品蒸發(fā)速率與氣液界面風(fēng)速、液面直徑以及Schmidt數(shù)成正比?？紤]到環(huán)境因素的影響，STIVER等人在此基礎(chǔ)上提出的新的油品蒸發(fā)模型[4,5]，新模型適用性及準(zhǔn)確性都有所提高，但由于油品屬于混合物，組分復(fù)雜，其蒸發(fā)更是復(fù)雜，新的蒸發(fā)模型在油品蒸發(fā)早期尚可使用，研究后期偏差極大。針對油品中的單一成分或者多種成分進(jìn)行研究獲得傳質(zhì)模型[6,7]，對油品復(fù)雜成分的蒸發(fā)沒有適用性，其原因是油品中的輕質(zhì)成分更易蒸發(fā)出來，在外界的擾動(dòng)下輕質(zhì)成分蒸發(fā)的更快。針對限制性空間的油品蒸發(fā)，一般是基于擴(kuò)散理論進(jìn)行推導(dǎo)[8-10]，在獲得油品蒸發(fā)的成分及各成分性質(zhì)的基礎(chǔ)上，通過加權(quán)等數(shù)學(xué)方法將混合氣作單一成分處理并采用混合氣的綜合物理性質(zhì)（如擴(kuò)散系數(shù)，密度等）[11,12]，目前多數(shù)學(xué)者已采用這種方法建立傳質(zhì)模型和處理蒸發(fā)氣體[9,13]，但忽略了流體流態(tài)（層流）影響。筆者針對油船裝貨過程中液艙內(nèi)油品的層流形態(tài)，采用現(xiàn)有的擴(kuò)散傳質(zhì)模型與擾動(dòng)能理論建立油品蒸發(fā)模型，并通過數(shù)值模擬研究裝貨過程裝貨速率產(chǎn)生的擾動(dòng)能對油品蒸發(fā)的影響，為油船作業(yè)通過控制裝貨過程中裝貨速率減小油品的蒸發(fā)，降低海上油品儲(chǔ)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)和減小油品蒸發(fā)損耗提供科學(xué)的決策依據(jù)。

1 油船裝貨過程的蒸發(fā)模型

油品蒸發(fā)復(fù)雜，其復(fù)雜的組分因其流態(tài)不同，蒸發(fā)速率有很大區(qū)別。一般浮頂罐收油流速較快，罐內(nèi)油品為湍流，而油船裝貨過程中液艙進(jìn)油口處流速一般較小，進(jìn)入液艙開闊區(qū)域后油品流速更低，液艙內(nèi)油品一般處于層流，局部介于層流與湍流的過渡狀態(tài)。對于湍流狀態(tài)情況下的油品蒸發(fā)，黃維秋[13]等人采用的是擴(kuò)散傳質(zhì)模型與RNGk-ε湍流模型，其充分利用了RNGk-ε湍流模型中的油品低雷諾數(shù)的粘性公式以及為油品耗散增加的傳輸方程（式1及式2），這為油品的湍動(dòng)能與傳質(zhì)速率及擴(kuò)散速率建立了聯(lián)系，但對高粘性低雷諾數(shù)的層流油品蒸發(fā)該方法不再適用。

式中μeff和μ分別為有效動(dòng)力粘度和動(dòng)力粘度，pa·s;Deff與Di分別是湍流有效擴(kuò)散系數(shù)和擴(kuò)散系數(shù)，m2/s，Di僅與物質(zhì)種類、溫度等有關(guān)；Sct為紊流施密特?cái)?shù).本文選取舟山海域最有代表性的油船液貨艙為研究對象，并依據(jù)限制性空間油品蒸發(fā)的研究[14]引入裝貨過程中的對流擴(kuò)散方程，見式(3)。

式中c為油氣體積分?jǐn)?shù)濃度；W為氣液界面對流速度，W=Q/t，Q為油品裝載速率，m3/s。Dm、Dn分別為有效擴(kuò)散系數(shù)、未定擴(kuò)散系數(shù)，m2/s。式(3)說明限制性空間油氣擴(kuò)散由物質(zhì)自身擴(kuò)散系數(shù)與未定擴(kuò)散系數(shù)決定，這里定義兩系數(shù)的共同作用為層流有效擴(kuò)散系數(shù)Deffe，即Deffe=Dm+Dn，Dm僅與液貨種類、溫度等有關(guān)，Dn與單位體積擾動(dòng)能及物質(zhì)動(dòng)力粘度相關(guān)，即Dn=f(Te,μ)。油艙的單位體積擾動(dòng)能見式(4)。

式中Q為油品裝載速率，L/min；A0為進(jìn)口處橫截面積，m2；從對流擴(kuò)散方程（式3）中可以得出限制性空間中油氣的有效擴(kuò)散系數(shù)：

對比式(2)與式(5)以及兩式中的參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，湍流狀態(tài)下的有效擴(kuò)散系數(shù)Deff與湍流動(dòng)能、湍流有效動(dòng)力粘度相關(guān)，層流有效擴(kuò)散系數(shù)Deff與擾動(dòng)能、動(dòng)力粘度相關(guān)。事實(shí)上，油船裝貨過程中由于油品粘度較大，裝貨產(chǎn)生的擾動(dòng)能對油品蒸發(fā)及油氣的擴(kuò)散作用明顯，筆者基于式(1)、式(2)及數(shù)學(xué)關(guān)系定義：

式中Sc為層流施密特?cái)?shù)；Te為單位體積擾動(dòng)能，J/(m3·s)。擴(kuò)散傳質(zhì)模型（式7）：

式中 S 為傳質(zhì)通量，kg/(m2·s)；Cs為飽和油氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)；A 為氣液界面面積，m2；ρg為油氣密度，kg/m3，油船裝貨過程中有效擴(kuò)散系數(shù)如式(8)所示，蒸發(fā)模型的傳質(zhì)通量見式(9)。

2 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)值模型建立及網(wǎng)格劃分

綜合現(xiàn)有油船液貨艙結(jié)構(gòu)尺寸資料，選取長25.7 m、寬為16.1 m、深為18.9 m、容積約為7 820 m3的液貨艙，為便于驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，結(jié)合文獻(xiàn)[14]按照相似準(zhǔn)則建立長0.64 m、寬0.4 m、高0.47 m的數(shù)值模型艙。模型艙進(jìn)口直徑0.008 m，出口半徑為0.012 m，采用ICEM軟件劃分網(wǎng)格，如圖3所示。

圖2 液貨艙物理模型Fig.2 Cargo tank physical model

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Mesh arrangement

2.2 流場控制方程

油船裝貨過程中液貨艙用到的流場控制方程如下：

連續(xù)性方程與動(dòng)量守恒方程分別見式(10)和式(11)。

式中：ρm混合物密度為氣組分 i的體積分?jǐn)?shù)，ρi為 i組分密度，kg/m3；vm為質(zhì)量平均速度為混合物動(dòng)力粘度，pa·s；μi為 i組分動(dòng)力粘度，pa·s；g 為重力加速度，m/s2；流體質(zhì)點(diǎn)所受體積力F如式(11)所示。

氣相區(qū)組分輸運(yùn)標(biāo)量方程如式(13)所示。式中Deff、S分別由式(8)和(9)計(jì)算。

由于液艙油品的流動(dòng)屬于層流或者介于層流與湍流之間的流態(tài)，經(jīng)過多次試驗(yàn)表明，層流模型更為合理。為提高計(jì)算精度，VOF模型氣液界面處采用B樣條插值函數(shù)進(jìn)行光順處理[15]，通過Fluent用戶自定義在氣液界面處指定一層始終處于飽和的油氣質(zhì)量源項(xiàng)，油氣向上部擴(kuò)散時(shí)，飽和油氣體積分?jǐn)?shù)層以擴(kuò)散方式進(jìn)行補(bǔ)充。

2.3 初始條件及邊界條件

初始條件：油艙內(nèi)無油氣和油品，僅有空氣，壓力為初始壓力為0.101 325 MPa。

邊界條件：根據(jù)文獻(xiàn)[14]的邊界條件，數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)油口采用速度進(jìn)口，透氣口處采用壓力出口；文獻(xiàn)[14]試驗(yàn)過程中環(huán)境溫度近乎不變油艙靜止，故數(shù)值試驗(yàn)中溫度對傳質(zhì)及油氣運(yùn)動(dòng)影響恒定，油艙始終處于靜止?fàn)顟B(tài)。

為驗(yàn)證蒸發(fā)模型的正確性，本文根據(jù)文獻(xiàn)[14]模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置了4組數(shù)值模擬試驗(yàn)，采用模型試驗(yàn)結(jié)果作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)，數(shù)值試驗(yàn)進(jìn)口速度參數(shù)如表1所示。

表1 進(jìn)口速度Tab.1 Filling rate

3 數(shù)值模擬驗(yàn)證及分析

3.1 數(shù)值模擬驗(yàn)證

數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)[14]模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，如圖4所示。

圖4為數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)透氣口油氣濃度變化曲線，從圖中可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合性較好，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的正確性，同樣驗(yàn)證了油船裝貨艙內(nèi)油品相變模型。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖5為裝貨作業(yè)過程中油艙透氣口油氣濃度隨裝載率變化曲線，其中油船液艙裝載率K是指裝入液艙的油品體積與艙容積的百分?jǐn)?shù)。

從圖中可以看出，相同裝載的情況下，裝貨速率越大蒸發(fā)速率越大，從式(4)、(8)和(9)可以看出，裝貨速率越大，單位時(shí)間產(chǎn)生的單位體積擾動(dòng)能越大，油氣有效擴(kuò)散系數(shù)越大，氣液傳質(zhì)通量越大，蒸發(fā)速率越大。在整個(gè)裝載作業(yè)過程中，蒸發(fā)率先迅速增大后迅速減小，最后趨于平穩(wěn)的過程，從式(9)可以得出，在裝貨初期（裝載率小于5%）由于氣液界面油氣濃度差較大、氣液界面面積迅速增大，加之?dāng)_動(dòng)能較大，油氣蒸發(fā)速率急劇升高；在裝貨中期（裝載率大于5%小于20%），由于油氣的累積，氣液界面油氣濃度升高，濃度差減小，氣液界面面積基本不變，加之?dāng)_動(dòng)能稍微減小，蒸發(fā)率迅速減?。谎b貨后期（裝載率超過20%），蒸發(fā)率平穩(wěn)下降，這是因?yàn)闅庖航缑嬗蜌鉂舛炔钊栽跍p小，單位擾動(dòng)能由于裝入的油品量增加而減小，因此蒸發(fā)率緩慢減小。

圖4 數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證Fig.4 Validation of numerical simulation results

圖5 不同裝載率下油品蒸發(fā)速率Fig.5 Evaporation rate of oil in different loading ratio

4 結(jié)論

針對油船裝貨過程中液艙內(nèi)油品的層流形態(tài)，基于擴(kuò)散傳質(zhì)模型與擾動(dòng)能理論建立了油品蒸發(fā)模型，模擬了裝貨速率產(chǎn)生的擾動(dòng)能對油品蒸發(fā)的影響，并用模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明：

(1)蒸發(fā)模型能夠準(zhǔn)確的描述油船裝貨過程中液艙油品層流形態(tài)的蒸發(fā)；

(2)同一裝載率下，裝貨速率越大，產(chǎn)生的擾動(dòng)能越大，蒸發(fā)速率越大；

(3)液貨艙油品蒸發(fā)大致可分為0-5%、5%-20%及20%-95%三個(gè)階段。

該研究能夠?yàn)闉橛痛鳂I(yè)過程中控制裝貨過程中裝貨速率減小油品的蒸發(fā)，降低海上油品儲(chǔ)運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)和減小油品蒸發(fā)損耗提供科學(xué)的決策依據(jù)。

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Numerical Study on Evaporation of Oil in Cargo Tank during Loading Process of Oil Tanker

ZHANG Qian1,LU Jin-shu2,DENG Jia-jia2,et al
(1.School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China；2.School of Port and Transportation Engineering of Zhejiang Ocean University,Zhoushan 316022,China)

Although the emission of VOCs (volatile organic compounds)is slightly decreased from tanker during loading of oil tankers due to VOCs recovery plants have been installed on the tankers over the last twenty years,VOCs released from oil tank still is the main pollution resource,which not only makes the high quality oil be wasted,but also threatens the safety of loading process.A numerical simulation study was conducted by Fluent to explore effect of different disturbances on oil evaporation.A new model based on mass transfer was proposed to describe the oil evaporation of the liquid-gas interface and the VOF methodology was applied to the tracking of gas-liquid interface.There is a good agreement between the experimental and nu-merical simulation data of cargo ventilation outlet,the accuracy of the evaporation model is verified.Based on the simulation results,it was found that evaporation rate and the disturbance was related in the same loading ratio.The evaporation rate of oil can be predicted according to the disturbance caused by loading speed.Therefore,the evaporation of oil can be reduced by adjusting the loading rate；Oil evaporation of cargo tank can be roughly divided into three stages：0-5%,5%-20%and 20%-95%.This work is helpful for engineers to decide on an appropriate strategy to control VOCs emission during loading operation.

oil tanker;cargo tank;evaporation model;numerical simulation

TE 832;TE 988

A

2096-4730(2017)04-0368-05

2017-06-26

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LY18E090008)；舟山市科技局項(xiàng)目(2016C12010)

張乾（1990-），男，安徽利辛人，碩士研究生，研究方向：船舶安全與污染控制.E-mail：A1605710898@126.com.