聚焦石化行業(yè)和設(shè)備，結(jié)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(shè)備分析中的關(guān)鍵應(yīng)用方向。具體包括在鉆井和生產(chǎn)環(huán)節(jié)的海洋平臺(tái)風(fēng)浪載荷分析和分離器流場(chǎng)計(jì)算，在儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)LNG儲(chǔ)罐加注過程的CFD分析和輸運(yùn)管路壓力損失預(yù)測(cè)及沖蝕壽命評(píng)估，以及在煉化環(huán)節(jié)的反應(yīng)器流場(chǎng)仿真和換熱器流場(chǎng)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(shè)備設(shè)計(jì)、優(yōu)化與安全運(yùn)維提供了科學(xué)、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(yùn)輸、存儲(chǔ)、液化石油氣等產(chǎn)品初加工以及下游深加工和終端應(yīng)用多個(gè)環(huán)節(jié)，每一個(gè)環(huán)節(jié)都面臨著設(shè)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(dòng)態(tài)載荷沖擊等，還需要預(yù)防極端場(chǎng)景下氣體泄漏擴(kuò)散、爆炸與火災(zāi)和結(jié)構(gòu)失效等安全性問題。

石油化工設(shè)備涵蓋了從微觀反應(yīng)器到大型儲(chǔ)罐到海上平臺(tái)的廣泛尺度，通過CFD虛擬仿真技術(shù)，能夠高效預(yù)測(cè)設(shè)備性能、優(yōu)化設(shè)計(jì)并降低風(fēng)險(xiǎn)。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(duì)苛刻的工況，對(duì)復(fù)雜流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)過程進(jìn)行仿真，本文結(jié)合典型案例，探討PERA SIM Fluid軟件在石化設(shè)備分析中的關(guān)鍵應(yīng)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真軟件，集成了導(dǎo)入/導(dǎo)出接口、幾何修復(fù)、網(wǎng)格生成、求解計(jì)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(duì)復(fù)雜空間形狀中的流動(dòng)、傳熱等多種問題進(jìn)行數(shù)值模擬。

軟件廣泛應(yīng)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(zhuǎn)機(jī)械等領(lǐng)域的流體仿真計(jì)算，可以高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行預(yù)測(cè)，進(jìn)而評(píng)估其設(shè)計(jì)方案安全性及可靠性，從而達(dá)到優(yōu)化、改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的。

鉆井和生產(chǎn)

1）海洋平臺(tái)風(fēng)浪載荷分析

海洋平臺(tái)作為關(guān)鍵的海洋資源開發(fā)裝備，在我國(guó)海上油氣勘探開發(fā)、海底管道鋪設(shè)及海洋油氣資源開采等領(lǐng)域扮演著不可替代的角色，是體現(xiàn)我國(guó)制造業(yè)能力的重要標(biāo)志性裝備。鑒于海洋平臺(tái)在復(fù)雜海洋環(huán)境中存在顯著的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，以及其獨(dú)特的氣動(dòng)-水動(dòng)-結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)耦合特性，必須采用精確可靠的載荷計(jì)算方法與動(dòng)力學(xué)建模技術(shù)，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其在風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下系統(tǒng)的耦合運(yùn)動(dòng)特征與動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。

PERA SIM Fluid流體仿真軟件針對(duì)此類復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，提供高質(zhì)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(yùn)動(dòng)模型。該軟件能夠有效模擬并精準(zhǔn)預(yù)測(cè)海洋平臺(tái)在波浪環(huán)境中的水阻力特性、平衡姿態(tài)、波浪誘導(dǎo)載荷及甲板上浪現(xiàn)象。

自由液面速度場(chǎng)

截面速度場(chǎng)

?平臺(tái)附近水體積分?jǐn)?shù)分布

2）分離器流場(chǎng)及分離效率計(jì)算

分離設(shè)備是石化行業(yè)實(shí)現(xiàn)原料精制、產(chǎn)品提純及工藝優(yōu)化的核心裝備，承擔(dān)著原油分餾、組分提純、雜質(zhì)去除等任務(wù)。以旋風(fēng)分離器為例，該設(shè)備主要應(yīng)用于氣固或氣液多相流體系，通過切向入口結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)制渦旋，利用離心力場(chǎng)實(shí)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(shù)，可高精度還原其內(nèi)部三維瞬態(tài)流場(chǎng)特征，包括：

①速度場(chǎng)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(dòng)能耗散率對(duì)顆粒團(tuán)聚行為的影響；

③旋流結(jié)構(gòu)：辨識(shí)內(nèi)旋流與外旋流的過渡界面及能量傳遞機(jī)制；

④干擾流動(dòng)：診斷二次流、偏心環(huán)流及縱向渦等非理想流動(dòng)特征，揭示其對(duì)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(guān)鍵設(shè)計(jì)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(guān)聯(lián)模型，為設(shè)備結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

?分離器內(nèi)部流場(chǎng)

?不同縱向位置徑向速度變化

儲(chǔ)運(yùn)

1）LNG儲(chǔ)罐加注過程分析

LNG儲(chǔ)罐是液化天然氣的核心設(shè)施，承擔(dān)著能源調(diào)峰、應(yīng)急儲(chǔ)備和穩(wěn)定供應(yīng)的重任。儲(chǔ)罐的可靠運(yùn)行直接關(guān)系到能源供應(yīng)的連續(xù)性，其易燃易爆的特性，使得儲(chǔ)罐的密封性、抗震性和防泄漏能力成為設(shè)計(jì)的核心，此外儲(chǔ)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(dòng)態(tài)載荷作用于罐壁，可能導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，極端工況下甚至引發(fā)儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)的疲勞損傷或失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

PERA SIM Fluid軟件基于先進(jìn)的CFD方法，可精確模擬儲(chǔ)罐內(nèi)復(fù)雜多相流耦合過程，量化運(yùn)行狀態(tài)下的流場(chǎng)分布、壓力波動(dòng)、溫度梯度等關(guān)鍵參數(shù)，為儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、安全運(yùn)維規(guī)程制定及事故預(yù)防策略提供科學(xué)依據(jù)。

加注過程流線及自由液面變化

2）輸運(yùn)管路壓力損失預(yù)測(cè)及沖蝕壽命評(píng)估

輸運(yùn)管路作為石油化工生產(chǎn)系統(tǒng)的核心脈絡(luò)，承擔(dān)著原油、天然氣、成品油及工業(yè)廢油等介質(zhì)的輸送任務(wù)，貫穿勘探開發(fā)、煉化加工、儲(chǔ)運(yùn)調(diào)配全產(chǎn)業(yè)鏈流程，運(yùn)行時(shí)面臨著復(fù)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(yīng)性問題，高效的管道設(shè)計(jì)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(yùn)行。

PERA SIM Fluid軟件提供專業(yè)的流動(dòng)解決方案：

①高精度的流動(dòng)模型和數(shù)值算法，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)參數(shù)與壓降的關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(chǎng)，捕捉氣液截面動(dòng)態(tài)；

③歐拉-拉格朗日模型追蹤顆粒，模擬固體粒子對(duì)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(zhì)的溫度變化，指導(dǎo)保溫設(shè)計(jì)。?

管路內(nèi)流場(chǎng)

煉化

1）反應(yīng)器流場(chǎng)仿真分析

反應(yīng)器是石油化工生產(chǎn)的核心設(shè)備，直接決定反應(yīng)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(jì)性間取得平衡。以常見的攪拌釜反應(yīng)器為例，是多相體系，設(shè)計(jì)中應(yīng)確保反應(yīng)條件的均勻性，使反應(yīng)物充分接觸并高效轉(zhuǎn)化，控制反應(yīng)過程中的溫度、壓力等參數(shù)，防止超壓、超溫等危險(xiǎn)情況的發(fā)生，還要減少反應(yīng)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(yīng)器內(nèi)部多組分、多相流動(dòng)、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(shí)間、平均停留時(shí)間、能耗功率等參數(shù)，進(jìn)而評(píng)估對(duì)反應(yīng)過程的影響，優(yōu)化能耗與效率。

連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器流場(chǎng)

雙螺旋槳攪拌槽非牛頓流體流場(chǎng)

2）換熱器流場(chǎng)及傳熱性能分析

管殼式換熱器在石油化工行業(yè)中應(yīng)用廣泛，在原油開采、運(yùn)輸和煉制過程中可以用于原油預(yù)熱以提高其流動(dòng)性，原油冷卻防止設(shè)備過熱損壞；在催化裂化過程中，冷卻反應(yīng)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(yīng)過程中可用于移除反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，控制反應(yīng)溫度，保證反應(yīng)的順利進(jìn)行。

合理的換熱器設(shè)計(jì)，要求具有優(yōu)秀的熱工性能和流體動(dòng)力學(xué)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(fù)雜流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象：

①流場(chǎng)優(yōu)化：不同折流板對(duì)流動(dòng)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(yù)測(cè)：準(zhǔn)確模擬復(fù)雜流路的壓降，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化在保證傳熱的前提下降低壓降；

③傳熱性能分析：預(yù)測(cè)流體與管壁詳細(xì)溫度分布，評(píng)估是否有局部過熱或溫度不均勻性，計(jì)算局部傳熱系數(shù)，揭示熱點(diǎn)或低效區(qū)域。

換熱器溫度場(chǎng)和流場(chǎng)

作為通用CFD仿真軟件，PERA SIM Fluid能夠精確模擬石化設(shè)備中復(fù)雜流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)及多相流問題，針對(duì)高溫、高壓、沖蝕、動(dòng)態(tài)載荷等苛刻場(chǎng)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(dòng)網(wǎng)格、6-DOF運(yùn)動(dòng)模型，滿足石化設(shè)備實(shí)際工況的特殊需求，為石化行業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)、優(yōu)化與安全運(yùn)維提供了科學(xué)、高效、可靠的數(shù)字化支撐。