基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法技术

基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法。步骤为：在三维绘图软件中建立储气罐三维几何模型，在SpaceClaim软件中进行几何模型重叠区域处理；进行网格划分，将网格导入Fluent中；检查网格尺寸比例，设置求解器；设定气液固三相和多孔介质材料物理性质；导入水合物生成UDF程序到单元区域条件中，完成Fluent模型的二次开发；设定单元区域条件和边界条件；初始化流场，设置时步和时间步长，开始迭代求解；计算收敛后，对计算结果后处理得到水合物和甲烷气流动云图及温度变化云图；当计算结果与实际相符时，仿真完成。本发明专利技术可以减少相当大在设计类似设备器材上所花费的成本和时间。成本和时间。成本和时间。

【技术实现步骤摘要】
基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法


[0001]本专利技术涉及数值仿真计算的
，具体涉及基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法。

技术介绍

[0002]天然气水合物储运技术就是将合成设备中的天然气和水在一定的条件下快速合成固态的水合物，然后进行运输和储存。这种储运技术不仅可以使天然气的储运更加方便灵活，同时还减少了管道铺设和维护的费用。该技术现如今大部分是运用在海上气田或小型气田开发所带来的长距离天然气储运，又或是天然气泄漏或者是农村多余沼气急需储存这些情况，这些情况带来的天然气水合物储运设备都是大型的车载储罐或船载储罐，都是在罐外合成，小型或应急处理用的储罐研究目前还很少。那么一种能够快速储存天然气，储运一体化，随取随用的小型储气罐就显得非常有研究价值。
[0003]Fluent的应用和发展，降低了研究的工作量和计算机硬性条件要求，Fluent与它有关的三传一反学原理可以作为对计算过程进行优化以及改变定量设计的有效途径，可以减少相当大的在流体力学实验的器材及各种资源的投入，也可以克服实验的局限性，建立特殊又复杂的物理模型，随意调整参数得到特殊条件下的物理现象，因而在当今的科学研究和工程
起到了至关重要的作用。其数值模拟结果经过处理可得到质量分数、体积分数、温压和速度矢量等云图，通过观察这些云图可判断设备设计是否合理。
[0004]那么为了设计出一个能均匀快速生成水合物的天然气水合物储气罐，在加工出储气罐之前的FLUENT模拟则十分重要。FLUENT数值模拟能够较为直观的观测出设计的好坏，可以在加工之前提前进行优化，能够获得最初的设计评估。比如专利文献CN112221432A介绍了一种水合物生成、储运一体化装置，包括反应釜、气罐、真空泵、水浴设备、转移通道和储运箱，此装置可以解决水合物储运设备储运一体化问题，解决了小剂量水合物转运问题，提高了水合物的利用率。但同样该专利设计的装置没有体现出水合物在反应釜内生成分布情况，不能确定水合物是否能在储气罐内均匀生成，如果传质分布不好会带来运输经济性的降低，那么本专利就是利用Fluent软件结合C语言来二次开发水合物生成UDF程序，准确描述水合物生成复杂过程，预先观测到反应釜或储气罐内水合物生成分布情况，可以减少相当大在设计类似设备器材上所花费的成本和时间。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法，本方法通过水合物生成数值模拟中找出天然气水合物储气罐内水合物生成分布的规律，从而解决当前Fluent软件在水合物生成方面的空白和储运一体化水合物储气罐内水合物生成分布情况不能观测的难题。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：提供基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法，包括以下步骤：
[0007](1)在SolidWorks三维绘图软件中建立高效天然气水合物储气罐三维几何模型，在SpaceClaim软件中进行几何模型重叠区域处理；
[0008](2)在Fluent Meshing中进行网格划分，将绘制完成的网格导入Fluent中；
[0009](3)检查网格并调整网格的尺寸比例，设置求解器；
[0010](4)选择需要的多相流模型、能量模型和湍流模型等基本物理模型；
[0011](5)设定气液固三相的物理性质和多孔介质材料物理性质；
[0012](6)导入水合物生成UDF程序到单元区域条件中，完成储罐内水合物生成Fluent模型的二次开发；
[0013]其中，水合物生成自定义函数UDF的建立包括以下步骤：
[0014]1)、根据水合物生成过程的影响因素建立与水合物生成动力学相关的水合物质量源项；
[0015]2)、根据水合物反应方程式的摩尔平衡来计算气相和液相的质量源项；
[0016]3)、根据水合物质量源项来计算水合物生成放热能量源项；
[0017](7)设定单元区域条件和边界条件；
[0018](8)按需求调整模型解决方案和松弛因子；
[0019](9)初始化流场，设置时步和时间步长，开始迭代求解；
[0020](10)计算收敛后，计算结果后处理得到水合物和甲烷流动云图及温度变化云图；
[0021](11)当计算结果与实际相符时，仿真完成；当计算结果与实际不相符时，对(1)的模型进行修改，并重复(2)
‑
(10)的计算步骤。
[0022]进一步的，(1)中，几何模型被划分为两个流体域，一个固体域。所述流体域为气体分布区域和多孔介质区域，所述固体域为固体冷源。
[0023]进一步的，(2)中，网格划分指把计算域划分为有限个的单元进行独立积分计算，得到一系列所需的物理量。优选的，网格数量为446967。
[0024]进一步的，(3)中，检查网格没有负体积，网格的尺寸比例调整为mm，求解器为三维双精度求解器，采用基于压力的求解器。
[0025]进一步的，(4)中多相流模型选择欧拉多相流模型，开启能量模型，湍流模型选择Realizablek
‑
ε模型。
[0026]进一步的，(5)中，气液固三相的物理性质包括密度、比热容、热导率和分子量，多孔介质物理性质包括密度、比热容和热导率。
[0027]进一步的，(6)中，步骤1)中水合物生成质量源项的自定义函数为：其中P≥P
e
，为指前因子，单位kg/(Pa
·
s
·
m2)，ΔE代表水合物形成的表观活化能(kJ/mol)，A
HS
为反应界面面积(m2/m3)，P
e
表示水合物的平衡压力；P是系统的总压力，单位Pa；R是气体状态常数。
[0028]步骤2)中的气相和液相的质量源项分别为其中M
h
，M
g
，M
w
分别为水合物相、气相和液相三相的摩尔质量。
[0029]步骤3)中水合物生成放热能量源项自定义函数为其中c，d为常
数；
[0030]进一步的，(7)中，单元区域条件包括气液固三相的UDF程序设定，多孔介质孔隙率为0.9778、多孔区域粘性阻力和惯性阻力的计算，D
p
为多孔介质平均直径，∈为孔隙率，固体冷源设定能量源项来实现吸热，边界条件包括气相压力入口Pressure inlet，入口压力为10MPa，入口温度为283.15K，两个流体域之间interior设定，冷源壁面采用温度壁面条件，壁面温度和储罐内部温度为268.15K。
[0031]进一步的，(9)中，初始化流场，优选的，设置初始温度268.15K，步长设置为0.001s，步数设置为100000步，开始迭代求解。
[0032]本专利技术能填补Fluent流体仿真软件在水合物生成方向的空白，基于C语言二次开发水合物生成UDF程序，准确描述本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在SolidWorks三维绘图软件中建立高效天然气水合物储气罐三维几何模型，在SpaceClaim软件中进行几何模型重叠区域处理；(2)在Fluent Meshing中进行网格划分，将绘制完成的网格导入Fluent中；(3)检查网格并调整网格的尺寸比例，设置求解器；(4)选择需要的多相流模型、能量模型和湍流模型等基本物理模型；(5)设定气液固三相的物理性质和多孔介质材料物理性质；(6)导入水合物生成UDF程序到单元区域条件中，完成储罐内水合物生成Fluent模型的二次开发；(7)设定单元区域条件和边界条件；(8)按需求调整模型解决方案和松弛因子；(9)初始化流场，设置时步和时间步长，开始迭代求解；(10)计算收敛后，对计算结果后处理得到水合物和甲烷气流动云图及温度变化云图；(11)当计算结果与实际相符时，仿真完成；当计算结果与实际不相符时，对(1)的模型进行修改，并重复(2)
‑
(10)的计算步骤。2.根据权利要求1所述的基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法，其特征在于，步骤(1)中，几何模型被划分为两个流体域和一个固体域。3.根据权利要求1所述的基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法，其特征在于，步骤(2)中，网格划分方法采用CFD表面网格方法先划分面网格，再根据面网格划分体网格，同时划分边界层和加密流体域连接之间的网格。4.根据权利要求1所述的基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法，其特征在于，步骤(3)中求解器为三维双精度求解器，采用基于压力的求解器。5.根据权利要求1所述的基于Fluent模拟天然气水合物生成分布情况的仿真计算方法，其特征在于，步骤(4)中，所述多相流模型选择欧拉多相流模型；开启能量模型；湍流模型选择Realizable k
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【专利技术属性】
技术研发人员：郎雪梅，姚柳眉，樊栓狮，王燕鸿，李刚，王盛龙，于驰，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：