聚焦石化行業(yè)和設備，結合典型案例，探討安世亞太自主研發(fā)的通用CFD仿真軟件PERA SIM Fluid在石化設備分析中的關鍵應用方向。具體包括在鉆井和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的海洋平臺風浪載荷分析和分離器流場計算，在儲運環(huán)節(jié)LNG儲罐加注過程的CFD分析和輸運管路壓力損失預測及沖蝕壽命評估，以及在煉化環(huán)節(jié)的反應器流場仿真和換熱器流場及傳熱性能分析。PERA SIM Fluid軟件通過其高精度模型和算法，為石化設備設計、優(yōu)化與安全運維提供了科學、高效、可靠的數(shù)字化支撐。

石化行業(yè)包含上游鉆井和生產(chǎn)、中游運輸、存儲、液化石油氣等產(chǎn)品初加工以及下游深加工和終端應用多個環(huán)節(jié)，每一個環(huán)節(jié)都面臨著設備多樣性與極端工況的挑戰(zhàn)，例如高溫、高壓、多相流、腐蝕與沖蝕、動態(tài)載荷沖擊等，還需要預防極端場景下氣體泄漏擴散、爆炸與火災和結構失效等安全性問題。

石油化工設備涵蓋了從微觀反應器到大型儲罐到海上平臺的廣泛尺度，通過CFD虛擬仿真技術，能夠高效預測設備性能、優(yōu)化設計并降低風險。安世亞太自主研發(fā)的PERA SIM Fluid憑借其全流程仿真能力，可以針對苛刻的工況，對復雜流動、傳熱、傳質過程進行仿真，本文結合典型案例，探討PERA SIM Fluid軟件在石化設備分析中的關鍵應用方向。

PERA SIM Fluid是安世亞太科技股份有限公司自主研發(fā)的通用計算流體動力學（CFD）仿真軟件，集成了導入/導出接口、幾何修復、網(wǎng)格生成、求解計算以及后處理等核心模塊，具備完整流程的流體仿真分析能力，適用于對復雜空間形狀中的流動、傳熱等多種問題進行數(shù)值模擬。

軟件廣泛應用于航空航天、海洋船舶、建筑環(huán)境、車輛軌道、電子散熱、旋轉機械等領域的流體仿真計算，可以高效地實現(xiàn)對產(chǎn)品性能進行預測，進而評估其設計方案安全性及可靠性，從而達到優(yōu)化、改進產(chǎn)品設計的目的。

鉆井和生產(chǎn)

1）海洋平臺風浪載荷分析

海洋平臺作為關鍵的海洋資源開發(fā)裝備，在我國海上油氣勘探開發(fā)、海底管道鋪設及海洋油氣資源開采等領域扮演著不可替代的角色，是體現(xiàn)我國制造業(yè)能力的重要標志性裝備。鑒于海洋平臺在復雜海洋環(huán)境中存在顯著的運動響應，以及其獨特的氣動-水動-結構多物理場耦合特性，必須采用精確可靠的載荷計算方法與動力學建模技術，以準確預測其在風、浪、流聯(lián)合作用下系統(tǒng)的耦合運動特征與動力學響應特性。

PERA SIM Fluid流體仿真軟件針對此類復雜幾何結構，提供高質量的網(wǎng)格劃分工具、高精度的VOF (Volume of Fluid) 模型與算法，以及六自由度 (6-DOF) 運動模型。該軟件能夠有效模擬并精準預測海洋平臺在波浪環(huán)境中的水阻力特性、平衡姿態(tài)、波浪誘導載荷及甲板上浪現(xiàn)象。

自由液面速度場

截面速度場

?平臺附近水體積分數(shù)分布

2）分離器流場及分離效率計算

分離設備是石化行業(yè)實現(xiàn)原料精制、產(chǎn)品提純及工藝優(yōu)化的核心裝備，承擔著原油分餾、組分提純、雜質去除等任務。以旋風分離器為例，該設備主要應用于氣固或氣液多相流體系，通過切向入口結構形成強制渦旋，利用離心力場實現(xiàn)離散相（顆粒或液滴）與連續(xù)相的高效分離。

基于PERA SIM Fluid軟件的CFD仿真技術，可高精度還原其內(nèi)部三維瞬態(tài)流場特征，包括：

①速度場與壓力分布：量化渦核區(qū)低壓特性與壁面邊界層速度梯度；

②湍流特性：解析湍動能耗散率對顆粒團聚行為的影響；

③旋流結構：辨識內(nèi)旋流與外旋流的過渡界面及能量傳遞機制；

④干擾流動：診斷二次流、偏心環(huán)流及縱向渦等非理想流動特征，揭示其對分離效率的抑制作用。

通過參數(shù)化分析入口流速、旋流室徑高比、排氣管插入深度等關鍵設計變量，能夠建立分離效率、壓降特性及顆粒捕集效率的量化關聯(lián)模型，為設備結構優(yōu)化提供理論依據(jù)。

?分離器內(nèi)部流場

?不同縱向位置徑向速度變化

儲運

1）LNG儲罐加注過程分析

LNG儲罐是液化天然氣的核心設施，承擔著能源調峰、應急儲備和穩(wěn)定供應的重任。儲罐的可靠運行直接關系到能源供應的連續(xù)性，其易燃易爆的特性，使得儲罐的密封性、抗震性和防泄漏能力成為設計的核心，此外儲罐在加注或釋放作業(yè)過程中，罐體內(nèi)液體因晃蕩產(chǎn)生的動態(tài)載荷作用于罐壁，可能導致局部應力集中，極端工況下甚至引發(fā)儲罐結構的疲勞損傷或失穩(wěn)風險。

PERA SIM Fluid軟件基于先進的CFD方法，可精確模擬儲罐內(nèi)復雜多相流耦合過程，量化運行狀態(tài)下的流場分布、壓力波動、溫度梯度等關鍵參數(shù)，為儲罐結構優(yōu)化設計、安全運維規(guī)程制定及事故預防策略提供科學依據(jù)。

加注過程流線及自由液面變化

2）輸運管路壓力損失預測及沖蝕壽命評估

輸運管路作為石油化工生產(chǎn)系統(tǒng)的核心脈絡，承擔著原油、天然氣、成品油及工業(yè)廢油等介質的輸送任務，貫穿勘探開發(fā)、煉化加工、儲運調配全產(chǎn)業(yè)鏈流程，運行時面臨著復雜的工況挑戰(zhàn)，包括氣固液多相流、段塞流、汽蝕問題和高壓、低溫等極端環(huán)境的適應性問題，高效的管道設計可降低輸送能耗，減少泄漏損失，保障管道全生命周期安全運行。

PERA SIM Fluid軟件提供專業(yè)的流動解決方案：

①高精度的流動模型和數(shù)值算法，準確預測設計參數(shù)與壓降的關系，優(yōu)化設計降低能耗；

②歐拉-歐拉多相流模型，高效模擬氣液兩相流流場，捕捉氣液截面動態(tài)；

③歐拉-拉格朗日模型追蹤顆粒，模擬固體粒子對管壁的沖蝕磨損；

④全面的傳熱模型模擬管道及內(nèi)部介質的溫度變化，指導保溫設計。?

管路內(nèi)流場

煉化

1）反應器流場仿真分析

反應器是石油化工生產(chǎn)的核心設備，直接決定反應效率、產(chǎn)品收率及選擇性，種類繁多，包括釜式、管式、塔式、固定床、流化床等，都需要在工藝效率、安全性和經(jīng)濟性間取得平衡。以常見的攪拌釜反應器為例，是多相體系，設計中應確保反應條件的均勻性，使反應物充分接觸并高效轉化，控制反應過程中的溫度、壓力等參數(shù)，防止超壓、超溫等危險情況的發(fā)生，還要減少反應過程中的能量損失，降低生產(chǎn)成本。

PERA SIM Fluid軟件能夠模擬反應器內(nèi)部多組分、多相流動、混合過程，獲取速度、壓力、湍流特性、溫度、組分濃度分布及混合時間、平均停留時間、能耗功率等參數(shù)，進而評估對反應過程的影響，優(yōu)化能耗與效率。

連續(xù)攪拌釜式反應器流場

雙螺旋槳攪拌槽非牛頓流體流場

2）換熱器流場及傳熱性能分析

管殼式換熱器在石油化工行業(yè)中應用廣泛，在原油開采、運輸和煉制過程中可以用于原油預熱以提高其流動性，原油冷卻防止設備過熱損壞；在催化裂化過程中，冷卻反應產(chǎn)生的高溫氣體以回收熱量并降低氣體溫度；在加氫反應過程中可用于移除反應產(chǎn)生的熱量，控制反應溫度，保證反應的順利進行。

合理的換熱器設計，要求具有優(yōu)秀的熱工性能和流體動力學性能，采用PERA SIM Fluid軟件可以通過數(shù)值模擬手段深入分析換熱器內(nèi)部的復雜流動與傳熱現(xiàn)象：

①流場優(yōu)化：不同折流板對流動分布的影響，減少死區(qū)，提高有效傳熱面積利用率；

②壓降預測：準確模擬復雜流路的壓降，通過結構優(yōu)化在保證傳熱的前提下降低壓降；

③傳熱性能分析：預測流體與管壁詳細溫度分布，評估是否有局部過熱或溫度不均勻性，計算局部傳熱系數(shù)，揭示熱點或低效區(qū)域。

換熱器溫度場和流場

作為通用CFD仿真軟件，PERA SIM Fluid能夠精確模擬石化設備中復雜流動、傳熱、傳質及多相流問題，針對高溫、高壓、沖蝕、動態(tài)載荷等苛刻場景提供高精度的解決方案，軟件集成了VOF、歐拉-歐拉多相流模型、離散相模型、滑移網(wǎng)格、動網(wǎng)格、6-DOF運動模型，滿足石化設備實際工況的特殊需求，為石化行業(yè)設備設計、優(yōu)化與安全運維提供了科學、高效、可靠的數(shù)字化支撐。