一种基于Fluent模拟的油库罐区风场探测布点方法与流程

一种基于fluent模拟的油库罐区风场探测布点方法
技术领域
1.本发明涉及一种风场探测方法，具体是一种基于fluent模拟的油库罐区风场探测布点方法，属于智能风场探测技术领域。


背景技术：

2.油库罐区是指油库内用于储存原油的储罐放置区域，包括有用于储存原油的储罐、隔堤、防火堤。当自然风流经油库罐区时，由于储罐和隔堤的影响会产生特殊的流动现象，例如涡流，一般认为，泄漏物质的扩散与环境风场的布局具有高度相关性，风力将加剧蒸汽云的扩散运动，云团顺风移动；当储罐发生破损泄漏时，泄漏出的油气会在油库罐区风场的影响下进行蒸发扩散行为，风场不同位置风速的大小、涡流的形成都会对油气的扩散产生显著的促进或抑制作用，进一步影响到泄漏事故的后果。
3.从已经有的文献和实际案例可以得知，目前国内对油库罐区风场的相关研究主要是通过cfd(计算流体动力学)模拟的手段分析储罐罐体对风场的影响作用，未能结合实验手段进行验证以及进一步的探究，而进行实地的风场测量研究又面临着场地过大、不清楚应该测量的位置点等问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种基于fluent模拟的油库罐区风场探测布点方法，能够对自然风流经油库罐区时产生的风场进行模拟，可以根据模拟结果选取精确的油库罐区风场内具有特征的位置点，并利用移动气象站设备对特征位置进行测量记录，为油库罐区内泄漏事故的风险把控提供一定的指导。
5.为了实现上述目的，本发明提供一种基于fluent模拟的油库罐区风场探测布点方法，包括以下步骤：
6.(1)确定油库罐区的基本参数，包括：油库罐区内储罐、防火堤、隔堤的分布及尺寸；当地风速和风向；
7.(2)构建自定义风速的函数，以实现不同垂直高度上风速大小的分布；风速函数用以下公式定义：
[0008][0009]
式中：vz是给定高度z下的风速；
[0010]v0
是z0高度下的风速；
[0011]
α是一个无量纲参数，其值取决于大气稳定类别和表面粗糙度；
[0012]
(3)根据步骤(1)中确定的油库罐区的基本参数，采用3d建模软件对油库罐区内的储罐、防火堤、隔堤进行1:1建模；
[0013]
(4)对步骤(3)中的3d模型进行非结构化网格划分并对油库储罐周围网格进行加密以提升计算精度，当网格的尺寸扭曲率和角度扭曲率低于0.85则合格；
[0014]
(5)将网格文件导入fluent求解器，并设置组分、计算模型、算法以及边界条件，组分仅设置空气即可，大气压力设置为101kpa，求解模型采用fluent求解器中的湍流模型，储罐、防火堤、隔堤、模型地面均设置为壁面边界条件，风速的大小和风向根据实际情况而定；
[0015]
(6)在fluent求解器内导入风速定义函数，将模拟初始化后开始对空气流动进行模拟，直到计算至收敛得到随时间动态变化的风场，当残差值低于0.0001则为收敛；
[0016]
(7)根据动态风场的模拟结果分析风场中风速明显高于环境风速或低于环境风速以及风向波动较大的点；确定好需要测量的特征位置后，根据位置坐标在现场布置移动气象站监测设备，用来测量风速；
[0017]
(8)在计算机上安装移动气象站相关软件及驱动，在油库罐区附近空旷区域设置移动气象站，并与计算机、移动电源相连接；
[0018]
(9)根据实际测量的环境风向及fluent模拟结果确定油库罐区内具体需要测量的位置点，并在位置点设置移动气象站、移动电源和用于记录的计算机；
[0019]
(10)测量完成后将计算机中的数据导出并进行处理。
[0020]
本发明步骤(3)中的3d建模软件为solidworks、designmodeler或者icem。
[0021]
本发明步骤(5)中的湍流模型选取k-ε湍流模型，假定分子之间无粘性，介质的流动是完全湍流流动，k-ε湍流模型如下：
[0022][0023][0024]
式中：
[0025][0026][0027][0028]
ym＝2ρεm
t2
；
[0029][0030][0031]gk
、gb是湍流动能k的产生项，分别由平均速度梯度和浮力作用引起；
[0032]
ym是对总的耗散率的影响，由可压缩湍流脉动膨胀引起；
[0033]
β为热膨胀系数；
[0034]
a为声速；
[0035]
t为时间；
[0036]
xi、xj为坐标系向量；
[0037]
μ为流动粘度；
[0038]
ε为湍流耗散率；
[0039]cμ
、c
1ε
、c
2ε
、c
3ε
为经验常数；
[0040]
sk、s
ε
为需要定义的源项；
[0041]gi
为重力加速度；
[0042]
pr
t
为普朗特数；
[0043]
t为环境温度；
[0044]mt2
为马赫数。
[0045]
与现有技术相比，本发明首先通过确定油库罐区内储罐、防火堤、隔堤的分布及尺寸，以及当地风速和风向，然后构建自定义风速的函数，以实现不同垂直高度上风速大小的分布；并根据油库罐区的基本参数，采用3d建模软件对油库罐区内的储罐、防火堤、隔堤进行建模；对模型进行非结构化网格划分，当网格的尺寸扭曲率和角度扭曲率低于0.85则合格；将网格文件导入fluent求解器，并设置组分、计算模型、算法以及边界条件，在fluent求解器内导入风速定义函数，初始化后开始对空气流动进行模拟，直到计算至收敛得到随时间动态变化的风场；根据模拟结果分析风场中风速明显高于环境风速或低于环境风速以及风向波动较大的点；确定好需要测量的特征位置后，根据位置坐标在现场布置移动气象站监测设备，用来测量记录环境风速及风向；根据实际测量的环境风向及fluent模拟结果确定油库罐区内具体需要测量的位置点，测量完成后将计算机中的数据导出并进行处理；本发明能够对自然风流经油库罐区时产生的风场进行模拟，可以根据模拟结果选取精确的油库罐区风场内具有特征的位置点，并利用移动气象站设备对特征位置进行测量记录，为油库罐区内泄漏事故的风险把控提供一定的指导。
附图说明
[0046]
图1是本发明的方法流程图；
[0047]
图2是本发明实施例的油库罐区的模型；
[0048]
图3是本发明实施例计算出的风场的速度分布示意图；
[0049]
图4是本发明实施例计算出的风场的湍流动能分布示意图；
[0050]
图5是展示了瞬态计算得出的不同时刻风场的流线变化图：(a)为1s时刻下风场的流线变化图；(b)为5s时刻下风场的流线变化图；(c)为10s时刻下风场的流线变化图；(d)为15s时刻下风场的流线变化图；(e)为20s时刻下风场的流线变化图；(f)为25s时刻下风场的流线变化图；
[0051]
图6是一号点、二号点、三号点、四号点、五号点的位置示意图；
[0052]
图7是本发明实施例的测量时间为1min时的风速测量结果示意图；
[0053]
图8是一号点、二号点、三号点、四号点、五号点的风向角度的标准差值。
具体实施方式
[0054]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0055]
如图1所示，一种基于fluent模拟的油库罐区风场探测布点方法，包括以下步骤：
[0056]
(1)确定油库罐区的基本参数，包括：油库罐区内储罐、防火堤、隔堤的分布及尺寸；当地风速和风向；
[0057]
(2)构建自定义风速的函数，以实现不同垂直高度上风速大小的分布；风速函数用以下公式定义：
[0058][0059]
式中：vz是给定高度z下的风速；
[0060]v0
是z0高度下的风速；
[0061]
α是一个无量纲参数，其值取决于大气稳定类别和表面粗糙度；在本发明中，α为0.16。
[0062]
(3)根据步骤(1)中确定的油库罐区的基本参数，采用3d建模软件对油库罐区内的储罐、防火堤、隔堤进行1:1建模；3d建模软件为solidworks、designmodeler或者icem其中的一种。
[0063]
(4)对步骤(3)中的3d模型进行非结构化网格划分并对油库储罐周围网格进行加密以提升计算精度，当网格的尺寸扭曲率和角度扭曲率低于0.85则合格；
[0064]
(5)将网格文件导入fluent求解器，并设置组分、计算模型、算法以及边界条件，组分仅设置空气即可，大气压力设置为101kpa，求解模型采用fluent求解器中的湍流模型，储罐、防火堤、隔堤、模型地面均设置为壁面边界条件，风速的大小和风向根据实际情况而定；
[0065]
(6)在fluent求解器内导入风速定义函数，将模拟初始化后开始对空气流动进行模拟，直到计算至收敛得到随时间动态变化的风场，当残差值低于0.0001则为收敛；
[0066]
(7)根据动态风场的模拟结果分析风场中风速明显高于环境风速或低于环境风速以及风向波动较大的点；确定好需要测量的特征位置后，根据位置坐标在现场布置移动气象站监测设备，用来测量风速；
[0067]
(8)在计算机上安装移动气象站相关软件及驱动，在油库罐区附近空旷区域设置移动气象站，并与计算机、移动电源相连接；
[0068]
(9)根据实际测量的环境风向及fluent模拟结果确定油库罐区内具体需要测量的位置点，并在位置点设置移动气象站、移动电源和用于记录的计算机；
[0069]
(10)测量完成后将计算机中的数据导出并进行处理。
[0070]
步骤(5)中的湍流模型选取k-ε湍流模型，假定分子之间无粘性，介质的流动是完全湍流流动，k-ε湍流模型如下：
[0071][0072]
式中：
[0073][0074][0075][0076]
ym＝2ρεm
t2
；
[0077][0078][0079]gk
、gb是湍流动能k的产生项，分别由平均速度梯度和浮力作用引起；
[0080]
ym是对总的耗散率的影响，由可压缩湍流脉动膨胀引起；
[0081]
β为热膨胀系数；
[0082]
a为声速；
[0083]
t为时间；
[0084]
xi、xj为坐标系向量；
[0085]
μ为流动粘度；
[0086]
ε为湍流耗散率；
[0087]cμ
、c
1ε
、c
2ε
、c
3ε
为经验常数；
[0088]
sk、s
ε
为需要定义的源项；
[0089]gi
为重力加速度；
[0090]
pr
t
为普朗特数；
[0091]
t为环境温度；
[0092]mt2
为马赫数。
[0093]
实施例
[0094]
对某市一大型油库罐区风场进行测量，首先利用计算流体力学软件fluent对油库罐区风场进行预模拟，图2是本发明油库罐区的模型，罐高23m，直径80m，防火堤高2.17m，隔
堤高0.75m，整个油库罐区尺寸为215m
×
215m，根据风速函数定义公式，假设当z0＝0时，v0＝3m/s。
[0095]
由图3、图4可以看出，风速较高的位置主要集中在储罐迎风向的垂直两侧，而湍流动能较高的区域位于储罐背风向附近，说明背风向会发生绕流，易形成泄漏出的油气的聚集处。
[0096]
图5展示了瞬态计算得出的不同时刻风场的流线变化图，可以看出储罐罐体背风侧风场的流线处于动态变化中，包括颜色的深浅和流线轨迹，这说明储罐罐体背风侧的风速大小和方向随时间发生改变。
[0097]
通过以上分析可以发现，油库罐区风场特征点的位置点主要存在于储罐罐体背风向附近、迎风向位置和迎风向垂直侧附近，因此选择以下几个点作为测量点(环境风速测量点未在图中标出)，如图6所示；其中一号点是储罐罐体迎风向位置点；二号点、三号点为储罐罐体迎风向垂直侧位置点；四号点为储罐罐体背风向位置点；五号点是防火堤下位置点。
[0098]
图7是本次风速测量结果，测量时间周期为1min。
[0099]
图8是各个一号点、二号点、三号点、四号点、五号点每个点的风向角度的标准差值。
[0100]
由图7、图8可以看出，二号点、三号点位于储罐罐体垂直侧附近，因此风速较高；四号点、五号点位于储罐罐体背风向和防火堤附近，因此风速较小，符合计算流体力学软件fluent的预测。另外，由于罐背罐体风向和防火堤附近处存在扰流，对比一号点、二号点、三号点的风向角度的标准差值明显增加。