IFV汽化器海水渠局部溢流問題研究

曾兆強，許穎，王曉陽，張紅斌，王金華，杜秋晨

（1.中海油石化工程有限公司，濟南 250101；2.上海液化天然氣有限責任公司，上海 200000；3.山東省思威安全生產(chǎn)技術(shù)中心，濟南 250014）

海水渠是LNG 中IFV 汽化系統(tǒng)中重要的組成部分，目前海水渠的設計，基本上依據(jù)傳統(tǒng)流體力學計算方法和經(jīng)驗進行設計，無法獲得海水渠局部擾動和局部阻擋對海水流體的影響，導致海水渠的排放能力與實際不匹配，為了適應現(xiàn)代工程精細化設計，采用新型設計方法研究勢在必行。

隨著計算流體力學（CFD）的飛速發(fā)展，CFD軟件在流體力學仿真領域中得到了廣泛的應用，具有周期短、成本低等優(yōu)點，其物理模型的可靠性不斷提高，仿真結(jié)果越來越接近實際，可以預測局部流場分布、流速分布等參數(shù)，為工程設計提供準確可靠的參考依據(jù)[1-2]。本文通過CFD 技術(shù)對不同工況下海水渠內(nèi)的流場進行了分析，通過Fluent 軟件對海水渠流場進行數(shù)值模擬，為海水渠的優(yōu)化和改造提供直觀、可視化的參考依據(jù)。

1 計算模型

1.1 物理模型

現(xiàn)有海水渠總長366.2 m，上游端部實際深度1.408 m，坡度3.5‰，渠寬5 m。IFV 海水排放管道為φ900 mm×9.53 mm，管道排水端口位于水渠中，為了支撐排水管道，在海水渠內(nèi)部設置了4 個900 mm×900 mm 大小的鋼筋水泥支墩，支墩上表面距離海水渠上表面0.1 m，見圖1。

圖1 海水渠縱向斷面圖Fig.1 Longitudinal sectional view of the sea channel

如圖1所示，D1=366.200 m，D2=6.300 m，D3=13.000 m，D4=9.500 m，D5=6.420 m，D6=1.408 m，使用前處理軟件GAMBIT 建立模型并進行網(wǎng)格劃分，為了模擬海水溢出，仿真模型中D6=2.408 m。

1.2 數(shù)學模型

1.2.1 控制方程

海水渠內(nèi)流動屬于湍流，流體為黏性不可壓縮流體，滿足連續(xù)性方程（1-1）和Navier-Stokes 方程（1-2）[3]，控制方程如下：

式中ρ——流體密度；

t——時間；

u——速度矢量；

u、v、w——速度矢量在x、y、z方向的分量；

p——壓力；

F——源項。

1.2.2 湍流模型

采用標準K-ε方程[3]，其對應的輸運控制方程為：

式中Gk——由平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；

Gb——由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項；

YM——可壓湍流中脈動擴張的貢獻；

C1ε、C2ε、C3ε——經(jīng)驗常數(shù)；

σk、σε——分別是與湍動能k和耗散率ε對應的Prandtl 數(shù)；

Sk、Sε——自定義的源項；

ρ——流體密度；

u——流體速度；

μ——流體動力粘度。

對于不可壓流體，Gb=YM=0，Sk=Sε=0，C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

1.2.3 多相流模型

采用歐拉-歐拉多相流模型中的VOF 模型[4-5]，VOF 模型可以較準確獲得兩種或多種不相融流體的交界面，不同組分共用一套動量方程，通過體積分數(shù)變量實現(xiàn)對每個計算單元相界面的追蹤，所有相體積分數(shù)之和滿足式（1-5），海水渠計算采用水和空氣兩相進行計算，單元平均密度通過式（1-6）體積分數(shù)計算，對于兩相表面張力F通過方程（1-7）控制，即動量方程中的源項[6]。

式中αi——第i相體積分數(shù)；

ρ——平均密度；

ρ1——第一相流體密度；

ρ2——第二相流體密度；

F——表面張力；

k1——第一相流體表面曲率；

σ12——兩相表面張力系數(shù)。

1.3 計算工況分析

目前在運行IFV 海水管4 套，擬增加IFV 海水管4 套，設計方案7 開1 備，存在8 臺IFV 同時運行工況。針對目前工況分析，主要從驗證現(xiàn)有模型的正確性和擴建后水渠是否溢流的情況開展工況分析，制定下列四個工況并完成分析，見表1。

表1 IFV 海水渠計算工況Tab.1 Calculation condition of IFV sea channel

2 數(shù)值模擬分析

2.1 邊界條件和解析條件

采用Gambit 軟件建立海水渠計算三維模型，并使用六面體和四面體混合網(wǎng)格分區(qū)進行網(wǎng)格劃分，共劃分網(wǎng)格約113 萬個，網(wǎng)格模型如圖2所示。

邊界條件：根據(jù)表1 計算工況設置IFV 開啟數(shù)量和支墩數(shù)量，IFV 排水口采用速度入口，大小3.313 m/s，液體體積分數(shù)為1，出口采用壓力出口，大小標準大氣壓，海水渠墻體采用wall 邊界條件。

解析條件：采用基于壓力基的非穩(wěn)態(tài)求解器，采用不可壓縮流動的標準k-ε湍流模型，多相流采用體積分率模型VOF，離散方程的求解采用求解壓力耦合方程組的隱式算子分割算法PISO，收斂殘差設為1×10-6，時間步長0.001 s。

圖2 海水渠模型網(wǎng)格Fig.2 Grid of sea channel model

3 計算結(jié)果和分析

3.1 工況1 模擬結(jié)果

4 臺IFV 運行工況水渠流態(tài)驗算，模擬結(jié)果如圖3～4。

圖3 4 臺IFV 運行工況海水渠縱向管道中心面相圖Fig.3 The central surface phase diagram of the longitudinal pipeline of 4 IFV operating conditions

圖4 4 臺IFV 運行工況海水渠橫向截面相圖Fig.4 Phase diagrams of the horizontal sections of 4 IFV operating conditions

圖5 4 臺IFV 運行工況海水渠現(xiàn)場圖Fig.5 The scene graph of 4 IFV operating conditions of sea channels

由圖3～4 可知，水渠內(nèi)高液位區(qū)為4 臺IFV 海水管入口區(qū)域，水渠下游液位降低。水區(qū)內(nèi)最高基礎液位區(qū)位于第3 與第4 支墩之間，根據(jù)波動理論，高液位區(qū)瞬時液位存在飛濺可能。模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際運行狀況（圖5）相符，即Fluent 模擬液位高低趨勢與現(xiàn)場運行情況具有一致性。

綜合工況1 的分析，證明采用Fluent 模擬海水渠運行情況擬合度較高，對海水渠改造具有指導意義，模擬方案可行。

3.2 工況2 模擬結(jié)果

擴建后8 臺IFV 運行工況水渠流態(tài)計算（有支墩），模擬結(jié)果見圖6～7。

圖6 8 臺IFV 運行工況海水渠縱向管道中心面相圖Fig.6 The central surface phase diagram of the longitudinal pipeline of 8 IFV operating conditions

圖8 8 臺IFV 運行工況最高液位相圖Fig.8 Phase diagram of the highest liquid level of 8 IFV operating conditions

如圖6所示，8 臺IFV 運行時，由于流量增大，在支墩和水柱的阻擋作用下，自水渠上游至第8 個進水口液位逐步升高，最高液位在第7 個水柱附近。圖7～8 的局部放大圖說明8 臺IFV 同時滿負荷運行時水渠內(nèi)基礎水位將高于池壁溢出。

3.3 工況3 模擬結(jié)果

擴建后7 開1 備運行工況水渠流態(tài)計算（有支墩），模擬結(jié)果見圖9～10。

圖9 7 臺IFV 運行工況海水渠縱向管道中心面相圖Fig.9 The central surface phase diagram of the longitudinal pipeline of 7 IFV operating conditions

圖10 7 臺IFV 運行工況海水渠橫向截面相圖Fig.10 Phase diagrams of the horizontal sections of 7 IFV operating conditions

圖11 7 臺IFV 運行工況最高液位相圖Fig.11 Phase diagram of the highest liquid level of 7 IFV operating conditions

如圖9～10所示，7 臺IFV 運行時，水渠內(nèi)基礎水位雖然略低于池壁，但飛濺問題仍然存在，且飛濺范圍將延長至下游第7 個海水入渠處，在上游100 m區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)溢流，針對這種情況制定了加高的措施，并建議遠期取消渠內(nèi)的支墩。

3.4 工況4 模擬結(jié)果

擴建后8 臺IFV 運行工況水渠流態(tài)計算（無支墩），模擬結(jié)果見圖12～14。

圖12 8 臺IFV 運行工況海水渠縱向管道中心面相圖（無支墩）Fig.12 The central surface phase diagram of the longitudinal pipeline of 8 IFV operatingconditions（no piers）

圖13 8 臺IFV 運行工況海水渠橫向截面相圖（無支墩）Fig.13 Phase diagrams of the horizontal sections of 8 IFV operating conditions（no piers）

圖14 8 臺IFV 運行工況液位相圖（無支墩）Fig.14 Phase diagram of the highest liquid level of 8 IFV operating conditions（no piers）

由圖12～13 可知，水渠中4 個支墩去掉后，8臺IFV 同時運行情況，水位較有支墩工況下降，證明支墩是導致海水渠局部液位升高的原因，同時水流水柱也是液位升高的原因之一，受水流液柱阻擋作用，局部區(qū)域液位仍然高出池壁，存在溢出風險。

3.5 各工況渠內(nèi)最高水位對比

通過各工況計算結(jié)果對各工況下海水渠最高水位進行對比見圖15，對比分析如表2所示。通過工況對比分析說明計算模型與實際運行相符，模型滿足工程模擬預測要求，通過模擬計算擴建后水渠容量不能滿足IFV 設計運行工況，海水渠存在海水局部溢出的可能，為降低海水溢出和飛濺風險，海水渠需要加高。

圖15 4 種工況最高液位相圖對比Fig.15 Comparison of phase diagrams of the highest liquid level in 4 operating conditions

表2 4 種工況對比分析Tab.2 Comparative analysis of 4 operating conditions

4 結(jié)論

本文通過CFD 軟件Fluent 中多相流VOF 模型對IFV 系統(tǒng)海水排放渠道進行了流場模擬分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過目前運行狀況，對CFD 計算模型進行了可靠性對比，模擬結(jié)果與現(xiàn)場對比具有一致性，證明計算模型可用于海水渠各工況的模擬，由于海水管在渠內(nèi)的支墩對海水流場的阻擋和擾流導致局部水位增高，是造成海水飛濺的主要原因。

（2）通過對模擬擴建后的流場液位以及局部海水飛濺現(xiàn)象分析，現(xiàn)有海水渠不能滿足擴建后IFV運行工況，海水渠池壁需要加高。

（3）通過各工況下海水渠模擬液位分析，需在海水渠上游100 m 的池壁范圍加高1 m，由于原海水渠結(jié)構(gòu)不適合在上部直接加高，需采用獨立結(jié)構(gòu)加伸縮縫密封方式加高。

（4）從海水渠溢流問題看出水渠設計時不應僅簡單計算截面積，不應在渠內(nèi)設置支墩，如果有多個排入口，還需考慮排水口對水流的影響。這些都使得實際水渠流通面積減小，壅水高度增加。