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基于FLUENT的液氨储罐喷射火燃烧的数值模拟
王晶晶
【期刊名称】《化工安全与环境》
【年(卷),期】2012(000)002
【摘要】液氨具有易燃易爆、易挥发、易泄漏等特点，是一种有毒有害的化工原料，主要用于生产硝酸、尿素和其他化学肥料，还可用作医药和农药的原料。
因为液氨的储存危险性，所以液氨储罐要求非常高，属于三类压力容器，设计温度在-40℃～50℃之间，材料通常选用16MnR。
液氨储罐在外部撞击或热冲击等侵袭下可能发生破裂，造成液氨泄漏，继而发生火灾爆炸事故。
【总页数】2页(P12-13)
【作者】王晶晶
【作者单位】福建消防总队泉州支队鲤城大队
【正文语种】中文
【中图分类】TQ113.251
【相关文献】
1.基于Fluent的W型辐射管燃烧数值模拟与分析 [J], 汪建新;闫双双;赵宏愿;郑小伟
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3.基于Fluent的气固喷射器三维数值模拟研究 [J], 石莹;林显臣
4.基于Fluent的稠油燃烧管数值模拟 [J], 李魏尧;代玉杰;崔洪志
5.基于FLUENT的割嘴外部流场火焰燃烧的数值模拟 [J], 郝明;王兴国;李腾
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基于FLUENT的气罐泄漏仿真在油气安全中的应用杨毅峰，樊建春，张来斌（中国石油大学安全工程实验室，北京102249）摘要：近年来，油气田地面装置、炼油厂、化工厂中的爆炸、火灾、中毒等事故频发，这些事故大多源于各种油品或其他化工介质的非正常泄漏.因此，对于介质泄漏后在环境因素影响下扩散规律的研究就显得非常重要.本文采用目前流行的流体计算软件Fluent，针对气罐泄漏进行流体泄漏数值仿真，对于指导安全评估、规避风险及防灾避灾有重要的意义.关键词：气罐；泄漏；Gambit建模；Fluent；流体动力学仿真计算中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1673-014304-0065-040引言气罐80％以上的事故起因于介质泄漏．在传统石油化工领域，关于泄漏的模拟和仿真计算大多是基于经验公式，计算误差较大．Fluent流体计算软件，针对所研究的特定空间进行建模和网格划分，根据质量守恒、动能守恒和动量守恒等理论进行较准确的模拟仿真和图形图像显示．这对于数字化分析现场各种因素，进行安全评估，确定危险区域，制定抢救措施和事故救援都具有重要的指导作用．1气罐泄漏Fluent几何模型和数学模型的建立（1）利用Fluent前处理软件GAMBIT建立欲求解问题的几何模型.GAMBIT目前是CFD(computation fluid dyna-mics)分析中最好的前置处理器，它包括先进的几何建模和网格划分方法．借助功能灵活、完全集成和易于操作的界面，GAMBIT可以显著减少CFD应用中的前置处理时间．复杂的模型可直接采用GAMBIT固有几何模块生成，或由CAD/CAE 构型系统输入．GAMBIT高度自动化的网格生成工具保证了最佳的网格生成，如结构化的、非结构化的、多块的或混合网格．（2）气罐泄漏过程仅涉及泄漏，没有发生燃烧或者爆炸，Fluent中定义数学模型为“组分输运和反应模型”.①组分输运方程：Fluent通过第i种物质的对流扩散方程预估每种物质的质量分数Y i.守恒方程采用以下的通用形式：tYi Yi—气体密度；1（N为系统内部物质组分总数，此处除去空气中氮气）种组分，分别代入该方程得到N1个未知数，N1个已解得的质量分数得到．为了使数值误差最小，第N种物质必须选择质量分数最大的物质，比如空气中的N2．②层流中的质量扩散：Y i.(2)D i,m—混合物中i组分的扩散相关系数.③湍流中的质量扩散：收稿日期：2006－03－20作者简介：杨毅峰(197166江汉大学学报（自然科学版）总第34卷D i,m+t—湍流速度；D i,m—混合物中第i种物质的扩散系数.④能量方程中物质输运的处理：对于多组分的混合流体，物质扩散导致了焓的传递．.(4)由于物质的扩散对焓场有重要的影响，因此不应该被忽略，特别是各个组分的Lewis（雷诺数）远离1时，忽略它的影响会导致很大的误差．Le i=kc p D i,m.(5)k—物质的热传导率；c p—物质的定压比热.这些方程是FLUENT求解气体泄漏问题的数学理论依据．2气罐泄漏的Fluent解决方法2.1建立球罐模型以某化工厂球罐泄漏为例子说明．如图1所示，利用Fluent6.2前处理软件Gambit2.1建立球罐的几何模型：直径10mm孔洞位于罐壁赤道线法线方向(即X正方向)．外部矩形计算域（X向长80m;Y向长40m；Z向长40m），内部球形区域是球罐，其中心距离左侧入口边界20m．由已知条件泄漏问题为单相流泄漏．2.2网格划分与检查气体泄漏后的计算域是大六面体空间刨除中间的球罐所占空间，优质的空间网格划分可以增加计算速度，节省计算时间．网格划分完成后要进行质量检查，看网格划分是否合格，网格划分越好计算精度越高．2.3边界条件设定(图2)（1）速度（绝对速度）入口：air_inlet3m/s（2）压力（表压）出口：pressure_out-front0Mpapressure_out-left0Mpapressure_out-right0Mpapressure_out-up0Mpa（3）压力（表压）入口：pressure_out-inside10Mpa2.4选择离散式求解器，隐式求解，时间选择为非稳态根据方程组进行迭代计算，检查各参数残差满足收敛条件，气罐计算模型收敛有解．3气罐泄漏Fluent的可视化求解方程组收敛后，应用Fluent的图形演示功能可以形象地研究所计算域中各种物质运动分布规律．3.1由粒子ID（种类）颜色来表示的粒子迹线图如图3所示，风向沿X轴正向，由迹线图清晰的看到泄漏口附近的甲烷迹线，甲烷喷射流初始段势流核和剪切层对其周围的空气形成了较强pressure_outlet(front left right up)wall_fieldpressure_inlet-insideair_inlet图2边界条件模型图3由计算域粒子ID颜色表示泄漏后的迹线图2006年第4期杨毅峰10，在泄漏孔中心最大速度为1830m/s ，为超音速泄漏．由容器内壁流到外壁过程中气流速度由超音速迅速变为亚音速，超音速部分在计算域中占的比例极小，这与经典泄漏理论气体泄漏速度不会超过当地音速基本上是一致的．3.4甲烷的爆炸上限为5％，下限为15％两爆炸极限等高线图和甲烷扩散最外层等高线叠加后放大如图6，甲烷爆炸极限（体积百分比）为5％~15％，所以此区域为易爆区，抢修罐体时此区域禁止有任何火源和黑金属撞击存在．3.5气罐泄漏的Fluent 求解结果与经验公式对比(1)对于这种典型的气体泄漏过程可以视为绝热过程，根据伯努利方程可以推导出如下的经验公式：Q =C dpA+1.(6)Q —气体泄漏流量，kg/s ；C d —排放系数，通常取1(圆形泄漏口)；A —泄漏口面积，m 2；p —容器内气体压力，1114575Pa ；p 0—环境压力，101325Pa；ｍｏｌ；T —容器内气体温度，298K.根据已知条件有：p =1114575Pa ，p 0=101325Pa，31.307+11图4由甲烷百分含量的颜色表示的速度矢量图图5局部放大的速度矢量图图6爆炸极限等高线叠加图7压力入口流量报告68江汉大学学报（自然科学版）总第34卷到动量守恒、湍流中的质量扩散和焓变等因素的影响．②经验公式把气体泄漏理想化为绝热过程，没有与外界的能量交换．③经验公式没有充分考虑现场空间情况比如风速、罐体大小、形状、空间相对位置等诸多因素对于计算结果的影响．因此，经验公式计算结果误差较大．4结论应用Fluent软件对气罐泄漏问题进行科学的计算，可以比较准确地计算出气罐泄漏发生后物质的泄漏形态、速度、浓度等各种属性数值及其泄漏后对周围环境的影响范围．另外，可以根据爆炸极限的包络面的运动情况对环境危险程度进行评估和分区.应用Fluent软件为泄漏过程制作动画，可以更形象地观察介质泄漏过程．这些对于指导油气田地面装置、炼油厂、化工厂、油库和储气加气站等有效地防灾避灾，制定科学的避灾抗灾策略都具有重要的现实意义和深远的指导意义．参考文献：[1]Fluent Incorporated.GAMBIT2.1tutorial Guide V olume2[M].Cavendish:Fluent Incorporated,2003.[2]Fluent Incorporated.FLUENT6.1User's Guide Volume2.[M].Cavendish:Fluent Incorporated,2003.[3]Fluent Incorporated.GAMBIT2.1Modeling Guide V olume2[M].Cavendish:Fluent Incorporated,2003.[4]Fluent Incorporated.GAMBIT2.1tutorial Guide V olume1[M].Cavendish:Fluent Incorporated,2003.[5]Fluent Incorporated.FLUENT6.1User's Guide Volume1[M].Cavendish:Fluent Incorporated,2003.[6]Fluent Incorporated.FLUENT6.1tutorial Guide V olume1[M].Cavendish:Fluent Incorporated,2003.[7]Fluent Incorporated.GAMBIT2.1Modeling Guide V olume1[M].Cavendish:Fluent Incorporated,2003.[8]Fluent Incorporated.FLUENT6.1tutorial Guide V olume2[M].Cavendish:Fluent Incorporated,2003.[9]韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2004.[10]孔珑.工程流体力学[M].北京：中国电力出版社,2004.[11]袁思熙.工程流体力学[M].北京：石油工业出版社,2003.[12]齐鄂荣，曾玉红.工程流体力学[M].武汉：武汉大学出版社,2005.[13]董志勇.射流力学[M].北京：科学出版社，2005.[14]刘诗飞，詹予忠.重大危险辨识及危害后果分析[M].北京：北京理工大学出版社，2004.Application of Gas Tank Leaking Simulation Based on Fluent inOil-gas SecurityYANG Yi-feng,FAN Jian-chun,ZHANG Lai-bin(Security Engineering Laboratory,China University of Petroleum,Beijing102249)Abstract:In recent years,the accidents of explosion,fire and poisonous matter have ascending trend in oil field,refinery and chemical plant,most of the accidents due to abnormal leak.So the study of diffusion regularity of leak influenced by enviroment factor is very es the popu-lar fluid computing software-Fluent,towards the gas tank leak,carrys out the fluid leaking data simu-lation,it is meaningful to instruct security estimation,risk avoidance,disaster prevention.Key word:gas tank of oil field;leak;Gambit modeling;Fluent;fluid dynamic simulational computation。
《装备制造技术》2019年第03期0引言填料塔具有结构简单、分离效率高、操作弹性大等优点[1]，在石油化工、医药等方面得到广泛的应用。
填料塔的设计计算中，填料床层的压降是一个重要参数[2]，是影响填料塔分离效率的重要指标，压降越小，分离效率越高。
由于乙酸变径精馏塔进料时会带走部分气相，因此研究塔内压力场分布情况十分必要，通过研究，为变径段筒体的设计提供了基础。
对于塔径较大的填料塔，为了满足操作工艺的要求，提高传质效率，降低制造成本，通常会将填料塔设计成上、下塔段直径不同的结构，通过变径段筒体来实现直径不同的塔段的连接，变径段筒体的结构主要有四种[2]，如图1所示，即大小端都有折边（见图1a ）、大小端都无折边（见图1b ）、大端有折边（见图1c ）、小端有折边（见图1d ）。
对于变径段筒体的倾斜角α的取值，GB150[3]给出了非常具体的范围：对于无折边的结构，α≤30°；对于大端有折边，小端无折边的结构，α≤45°；对于大端、小端都有折边的结构，α≤60°；对于变径段筒体高度H 的取值按国标选取，本文采用的是无折边结构。
1压力变化幅度为了便于描述塔内某一条直线上压力的变化情况，引进了压力变化幅度的概念。
压力变化幅度表示同一直线上任意两点间压力的变化量与前一个点的压力的比值，压力下降幅度越大，表明压力波动越大，压降越大。
ωp =△p p 1=p 2-p 1p 1（1）式中，p 1为前一个点上的压力（pa ）；p 2为后一个点上的压力（pa ）；Δp 为两点间压力的变化量（pa ）。
2数学模型2.1控制方程质量守恒方程为：əρət +əəx i（ρμi ）=0（2）动量守恒方程：əəx t （ρμi ）+əəx j （ρμi μj ）=əp əx i +əτij əx j+ρg i +F i（3）基于fluent 乙酸变径精馏塔的数值模拟陈林凤1，冯清付2，江振飞2，王在良1，李伯奎2（1.江苏科圣化工机械有限公司，江苏淮安223002；2.淮阴工学院，江苏省先进制造技术重点实验室，江苏淮安223003）摘要：压降是填料塔设计时的重要参数，压降越小，分离效果越好。
浅析数值模拟软件Fluent在煤矿瓦斯爆炸中的作用作者：何麒麟来源：《绿色科技》2014年第03期摘要：指出了过去对于煤矿瓦斯爆炸问题的讨论大都是利用理论经验进行分析，缺少了更加直观的分析。
基于数值模拟Fluent，初步探讨了数值模拟软件在煤矿瓦斯爆炸中的作用。
关键词：煤矿；瓦斯爆炸；数值模拟1引言我国拥有丰富的煤炭存储量，煤炭资源依然是驱动我国经济发展不可或缺的资源，同时，每年我国的煤矿数量依然在不断增加。
煤矿中因为存在有大量的瓦斯、煤尘，在矿井通风条件不利的情况下，是造成煤矿爆炸事故的极度危险因子，严重威胁着煤矿工作人员的生命安全。
近年来，我国每年都会发生多起煤矿瓦斯爆炸事故，据不完全统计，每年全国都有5000人左右在煤矿瓦斯爆炸事故中丧生，因为煤矿瓦斯爆炸事故所造成的直接经济损失约为10亿元人民币，这都警示着我们，减少煤矿瓦斯爆炸事故的发生是非常有必要的[1]。
本文以数值模拟软件Fluent为出发点，探讨了数值模拟软件在我国煤矿瓦斯爆炸中的作用，以期能够减少我国煤矿瓦斯爆炸事故的发生。
2数值模拟软件FluentFluent是隶属于CFD的一种商业软件，它是基于计算机技术而发展起来的计算流体力学，可以模拟多种复杂的流体流动。
在以前，理论分析方法仅限于使用公式推导，并不能很直观的得到流体的运动状态[2]。
Fluent则弥补了这一方面的缺陷，可以比较准确的得到流体运动状态。
Fluent采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法，这样就使得Fluent在转换与湍流、传热与相变、化学反应与燃烧、多相流等方面有着广泛的应用。
在进行数值模拟中，通过建立物理模型，设定稳定的控制方程，确立材料的物理特性，设置准确的边界条件，输入确切的松弛因子，最终通过迭代计算得到结果[3]。
在煤矿瓦斯爆炸中存在传热、燃烧、流体流动、压力变化等多种复杂过程，采用Fluent进行数值模拟无疑是非常适合的。
尿素合成塔液相泄漏蒸气爆炸压力计算徐书根;王威强;刘燕【摘要】Based on the theory of thermodynamics, a theoretic calculation is done of the explosion of vapor leaked out from the liquid phase sector in the urea synthesis converter. The cracking defect is taken as the leak-out hole, and the crack opening area is considered to change with the change in internal pressure load, thereby exerting influence on the leakage rate and further affecting the rebound of the internal explosion pressure load. The calculation results show that the leakage from the liquid phase sector in the urea synthesis converter filled with high-temperature and high-pressure materials will lead to vapor explosion.%基于热力学理论,对尿素合成塔液相区泄漏的蒸气爆炸进行了理论计算.将裂纹型缺陷作为泄漏口,并且认为裂纹张开面积随内部压力载荷的变化而变化,从而对泄漏速率产生影响,进而影响内部爆炸压力载荷的反弹.计算结果表明:盛装高温、高压物料的尿素合成塔的液相区泄漏能够引发蒸气爆炸.【期刊名称】《化肥工业》【年(卷),期】2012(039)002【总页数】6页(P22-26,38)【关键词】尿素合成塔;蒸气爆炸压力;液相区泄漏【作者】徐书根;王威强;刘燕【作者单位】中国石油大学<华东>机电工程学院山东青岛266555;山东省特种设备安全工程技术研究中心山东济南250061;山东大学机械工程学院山东济南250061;山东省特种设备安全工程技术研究中心山东济南250061;山东大学机械工程学院山东济南250061;山东省特种设备安全工程技术研究中心山东济南250061【正文语种】中文2005年3月，山东平阴鲁西化工第三化肥厂1台尿素合成塔(以下简称尿塔)发生严重的塔体爆破事故。
127中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2019.09 （下）CFD 模型指的是数值模型。
其能够对高度非线性的爆炸传播过程实现较为准确的描述，一般将其应用到可燃气体爆炸的模拟研究中。
本文基于CFD 模型，应用FLACS 软件进行气体爆炸场景分析，针对典型海洋平台上部结构进行建模，研究海洋平台上结构的布置及排列情况对于爆炸超压分布的影响，并给出结构布设建议，为工程实践提供参考。
1 可燃气体爆炸的数学物理模型1.1 物理模型可燃气体爆炸指的是可燃气体遇到着火点后会在短时间内迅速向周围传播燃烧的现象，是一种较为强烈的化学现象。
在爆炸过程中的典型物理现象是高温、火焰燃烧以及高压等。
图1中所示的即为可燃气体的爆炸模型示意图，此时可燃气体与空气混合并且达到了爆炸的条件。
如果存在中心燃烧源将可燃气体进行点燃，此时将会形成一定的燃烧波并迅速将周围辐射，使得附近其他点燃后，就成为新的燃烧源并继续向周围扩散。
整个过程通过球面扩散方式向外部辐射燃烧波。
如果其发生在一个密闭空间内，可燃气体温度在短时间内急剧上升，压力增大就形成了爆炸现象。
管道在受到纯弯载荷后会形成曲率半径为ρ的环形线段，如图1所示。
1.2 数学模型FLACS 中的数学模型通过可压缩守恒方程建立，模拟了理想气体的膨胀过程。
此模型总中含有的方程有动量方程、湍流动能方程、混合物组分方程等。
可以将其表示为如下形式：()()(())i j j j u S t x x x φφρφρφρφ∂∂∂∂+−Γ=∂∂∂∂effφφµσΓ=湍流动能耗散率(ε)，焓(h)，和可燃气体质量分数(Y fu )。
其中φ、σφ和S φ的具体含义如表1。
2 结构布置对于爆炸超压的影响2.1 孔隙率的影响一般可以通过孔隙率表基于CFD 的海洋平台爆炸载荷数值模拟分析戴伟1，阮伟东2，刘畅3（1.浙江工业大学海洋研究院；2.浙江工业大学建工学院，浙江 杭州310014；3.南方科技大学海洋科学与工程系，广东 深圳 518000）摘要：海洋平台中的可燃气体研究具有较高的复杂度，这与其复杂的空间结构有关，可以根据实际工程特点建立较为准确的理论模型，并对爆炸过程进行较为合理的描述。
2010年第5期doi:10.3969/j.issn.1672-9943.2010.05.010能源技术与管理基于Fluent的矿井瓦斯爆炸危险等级评定张洪素1，陈宏业2（1.中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221008；2.郑州大学工程力学系，河南郑州450001）［摘要］基于安全检查表和BP神经网络的评价模型预测矿井发生瓦斯爆炸的危险性，并以某矿1111（3）、1115（1）工作面为例，用Fluent分别模拟了简单U型通风和Y型通风下的瓦斯分布状态，结果表明Y型通风能有效解决瓦斯上隅角积聚问题，且研究结果与实际情况基本相符，可以用来预测和评价煤矿发生瓦斯爆炸事故的危险性。
［关键词］BP神经网络；瓦斯；Fluent；预测［中图分类号］TD712［文献标识码］B［文章编号］1672-9943(2010)05-0023-030引言煤矿井下生产系统蕴涵着由人—机—环境构成的、空间分布极其复杂的灾害系统。
其中人工、自然因素共存，瓦斯、煤尘、矿井水害、火灾、顶板事故以及机电事故等是其存在的主要灾害形式。
安全科学的最新理论认为：只有对系统的危险程度进行定量评价，事先获得各种事故的可能后果及其对整个生产系统的影响，才能使技术和安全管理有关部门针对性的采取措施，达到安全生产的目的。
通常是从评价方法的原理与具体算法角度分析，大多采用传统的理论方法，或借用其它行业的现有技术来处理煤矿的特殊问题。
生产现场的大量管理经验证明，仅仅依靠传统的方法和思路对于具有特殊情况的煤矿安全问题很难做到定量、有效的评价。
因此，本文根据BP神经网络模型中煤矿瓦斯爆炸危险性等级标准的划分，对比分析不同通风方式下采空区上隅角瓦斯的积聚状态，为预防瓦斯爆炸提供可靠的理论依据。
1评价方法本文选用安全检查表和BP神经网络模型相结合的方法。
安全检查表的弹性很大，既可用于简单的快速分析，也可用于深层次的分析，它是识别已知危险的有效方法。
神经网络技术是近年来人工智能研究较为活跃的领域，它能够模拟人脑结构的思维功能，具有较强的自学性和联想能力，人工干预少，精度较高，对专家知识的利用也较少。
FLUENT论坛精华关于压力入口和压力出口的设定FLUENT的湍流模型有哪几种？A、Spart-Alpla单方程模型B、K-e 双方程模型C、雷诺应力模型D、大涡模拟模型单方程模型在这几种模型的中的计算量最小，它是一种刚刚发展起来的湍流模型，主要针对于航空流体机械的数值模拟，对于其他复杂流动的计算还没有经过验证双方程湍流模型能够比较准确地模拟各种复杂流动，而且计算量也在工程可以接受的范围；标准k-ε模型解决一般的流动问题，RNG k-ε模型主要应用于旋转坐标系下的流动问题（旋转机械），Realizable k-ε模型主要用于射流、大分离、回流等问题雷诺应力模型和大涡模拟主要应用于湍流运动的机理研究中，由于计算量非常大，因此目前还很少用于有复杂几何形状的工程问题中请问该怎么设定压力入口的条件？Gauge Total Pressure 就是我知道的表压吗？Super/initial Gauge Pressure 该怎么确定？压力出口的Gauge Pressure 设置为环境大气压可以吗？压力入口边界条件压力入口边界条件用于定义流动入口的压力以及其它标量属性。
它即可以适用于可压流，也可以用于不可压流。
压力入口边界条件可用于压力已知但是流动速度和/或速率未知的情况。
这一情况可用于很多实际问题，比如浮力驱动的流动。
压力入口边界条件也可用来定义外部或无约束流的自由边界。
对于流动边界条件的概述，请参阅流动入口和出口一节。
压力入口边界条件的输入综述对于压力入口边界条件你需要输入如下信息驻点总压驻点总温流动方向静压湍流参数（对于湍流计算）辐射参数(对于使用P-1模型、DTRM模型或者DO模型的计算) 化学组分质量百分比(对于组分计算)混合分数和变化(对于PDF燃烧计算)程序变量(对于预混和燃烧计算)离散相边界条件(对于离散相的计算)次要相的体积分数(对于多相计算)所有的值都在压力入口面板中输入(Figure 1)，该面板是从边界条件打开的。
