卧式成品油储罐油蒸汽置换规律数值研究

成品油储罐在置换作业过程中其油蒸汽在一定浓度范围内变化，由于爆炸浓度极限的存在[1]，在作业过程中往往会经历“危险时段”。当前，现场的置换作业往往按经验来确定置换时间和抽吸速率[2-3]，效率低且发生事故概率较高，研究表明，储油罐70%以上的事故与油罐清洗和维修有关，其中，卧式储罐的火灾占全部储罐火灾的一半以上。众多学者将研究重点放在油罐气体置换的计算方法和安全标准方面，彭世尼等[4]对燃气储罐的置换过程进行了数学分析，提出了任一容积储气罐安全置换所需气体用量以及置换时间的计算方法；董文庚等[5]用三元组分图分析了储罐的2种不同惰化方案中气体组成的变化规律，在综合考虑了爆炸极限、最低含氧量等因素后，确立了较为安全的储罐惰化实施方案；白永忠[6]指出国内对于惰气置换采用统一的浓度控制值存在着不足，由于不同的气体具有不同燃爆特性，对于不同的可燃气体应当有不同的浓度控制值和不同的惰气置换方案。

此外，为深入研究各个因素对于置换过程的影响，还有一些学者进行了实验和数值模拟方面的研究。Kevin Chow等[7]建立了3种不同容量储罐的模型，使用PHOENICS软件研究了巨型油轮中储罐内部构造及进气口位置对流场的影响，根据流场分析发现内部的挡板对空气在储罐中的扩散有一定的阻碍作用，当进气口周围不存在挡板时，空气在内部的扩散情况将大大改善。徐延喜等[8]通过数值模拟研究了侧面进气管插入深度对燃油箱惰化过程的影响，结果表明侧面的进气管插入深度对惰化过程几乎没有影响。张培理等[9]用模拟实验台研究了进气口位置和进气体积流量对燃惰气置换过程的影响，分别对上进下出和下进上出2种置换方式进行实验研究，得到了上进下出的置换方式具有更高置换效率的结论。

上述这些研究主要集中于单因素对置换过程的影响，缺少对于抽吸速率、插入深度、抽吸时间对置换过程影响的全面分析，较难为置换过程提供完备的参考。另外，对进气口位置的研究大多只是将进出气口的位置互换，并未就进出气口相对距离的变化对置换过程的影响进行研究。但对于加油站的储罐来说，在满足强度要求的情况下，进出气口位置的设计是多变的[10]，因此，现有的进出口相对位置研究对指导现场储罐油蒸汽置换作业具有一定的局限性。为此，笔者采用数值模拟方法全面分析抽吸速率、抽吸管插入深度以及抽吸时间对置换效率的影响，获得了油蒸汽浓度随时间变化的动态规律。在此基础上，为使研究结果适用于不同设计储罐，探究了具有不同进出气口位置的卧式储罐的油蒸汽置换规律。

1　物理模型

目前，储罐常用的油蒸汽置换方法有自然通风法、充水排气法、机械通风法等[11-12]，其中，自然通风法操作比较简单，不需要任何设备，但是耗时比较长，在通风过程中将长时间处于爆炸危险浓度，对于加油站埋地卧式储罐来说，其排净效果不佳。充水排气法一般应用于小容量的地上储罐，且需要合适的污水处理设备，故采用较少。机械通风法是通过风机等设备加快通风的过程，其效率高且罐内气体停留在爆炸危险浓度的时间短，因此，加油站的卧式埋地储罐通常采用此方法进行油蒸汽置换。本次计算的原型为加油站常用尺寸的卧式储罐，置换过程中风机通过抽吸管将罐内混合气体抽走，新鲜空气通过进气口进入罐内，从而达到置换或稀释罐内可燃气体的目的。在模拟和计算中采用如下简化：

(1)将储罐罐体简化为1个圆柱体与2个半球体的组合体，其简化示意图如图1所示；

图1　卧式储油罐简化图 Fig.1　The simplified diagram of horizontal oil storage tank

(2)将置换过程中空气和油蒸汽的流动作为不可压缩流动处理；

(3)认为罐内气体为汽油蒸汽和空气的混合气，考虑到汽油的组分比较复杂[13-14]，汽油蒸汽按C4占比50%、C5占比40%、C6占比10%进行简化计算；

(4)忽略汽油蒸汽挥发以及泄漏的影响。

1.1　控制方程

罐内气体的质量守恒方程为：

(1)

式中：ui为速度，m/s。

动量守恒方程为：

那夜老赵三回来得很晚，那是因为他逢人便讲亡国，救国，义勇军，革命军，……这一些出奇的字眼，所以弄得回来这样晚。快鸡叫的时候了！赵三的家没有鸡，全村听不见往日的鸡鸣。只有褪色的月光在窗上，三星不见了，知道天快明了。

(2)

二是由于灌区群众节水意识淡薄，受经济利益的驱使只考虑经济效益，不考虑水的承载能力的现象仍然存在，普遍种植高耗水作物，进行大块漫灌，用水管理粗放，造成缺水和浪费水的现象并存。

1.2　组分输运方程

由于置换过程为非稳态过程，计算采用非稳态求解，迭代的时间步长设置为1 s；由于置换过程流场速度较低且不可压缩，所以求解方法选择基于压力的求解法，求解算法选择SIMPLE算法；湍流普朗特数设置为σk=1.0，σε=1.2；湍流施密特数Sct设置为0.7；近壁面处使用标准壁面函数法[17]；对流项采用二阶迎风格式，扩散项采用中心差分格式分别进行离散；从入口界面对流场进行初始化，连续性方程的收敛标准设定为残差小于10-4，能量方程残差小于10-6。

(3)

由图9可以看出，置换过程中中间截面介质气体浓度整体由上至下逐渐降低，在此抽吸速率下，置换15 min已经取得了较好的效果；除入口处以外，介质气体体积分数由上至下逐渐降低，无明显死角出现。各个抽吸速率下空气体积分数的三维视图如图10所示。结果表明：(1)卧式成品油储罐在几种抽吸速率下均不会出现明显“置换死角”；(2)随着抽吸速率的增加，置换效果大大改善；(3)抽吸速率较大时，由于对流扩散较强烈，一段时间后，整个浓度场分布更加均匀。

甘薯淀粉/魔芋胶复配凝胶的表观粘度随剪切速率的变化情况如图4所示，通过Herschel-Bulkley方程拟合得到的参数见表4。由表4可知，决定系数R2均大于等于0.94，表明该模型对稳态流变数据具有较高的拟合精度。流体指数n＜1，屈服应力τ0＞0，由曲线的走势以及方程拟合参数可以判定淀粉/魔芋胶复配凝胶属于屈服-假塑性流体，具有剪切稀化的性质。由图可以看出所有样品均形成滞后环，这是由于体系结构的破坏与重建速度不同导致的，滞后圈表示了该体系内部结构的松弛特征[15]。

(4)

式中：Sct为湍流施密特数；Dl，m为组分l的质量扩散系数。

1.3　湍流模型

储罐在置换过程中会形成湍流，因此在本次模拟中引入Realizable k-ε湍流模型来描述湍流细节，其湍动能k方程和湍流耗散率ε方程分别为：

卧式储罐的计算区域简化为圆柱体与半球体的组合体，圆柱体的长为7.4 m，直径为2.6 m，2个半球体的直径均为2.6 m。卧式储罐内气体流动时的马赫数很小，因此，罐内气体按照不可压缩气体来处理[16]。同时将进气入口设为速度入口边界条件；排气口处设置为压力出口边界条件；其余边界都按壁面边界条件处理。

(6)

式中：σk、σε为湍流普朗特数；Gk为湍流产生项，取Gk=μtSijSij；变形速率张量湍流黏度是平均应变率和平均转动率、系统旋转角速度的函数这里为平均转动速率张量；模型常数

在临床中,通常采用子宫切除手术联合盆腔淋巴结清扫手术方式彻底治疗宫颈癌。因为此手术方法手术面积大,使得患者很容易引发膀胱功能障碍,临床表现以尿潴留为主。据有关资料显示[1],尿潴留发生率处于7.5%-44.9%之间,如果不给予患者有效的护理方法,将会对患者膀胱功能造成直接影响。本次研究主要针对我院宫颈癌术后患者实施穴位按摩的效果进行分析,现将探究内容以如下报告形式呈现。

2　卧式储罐油蒸汽置换过程数值求解

2.1　数理模型验证

由于国内外文献鲜有关于卧式储罐油蒸汽置换的研究，因此，笔者采用与卧式储罐油蒸汽置换过程相类似的室内顶部通风算例对所建立的数理模型进行验证[15]，该算例是一个顶部通风、内部有污染气体的长方体模型，长宽高分别为1.6、0.8、0.7 m，其物理模型如图2所示。文献中计算所用的最大网格尺寸为0.035 mm，对速度与高度数据进行了归一化处理，并且绘制了速度-高度的关系曲线。使用数理模型对图2中的物理模型进行计算，同样将相应位置的速度线输出并进行归一化处理，其结果与该文献中的实验及模拟数据的对比如图3所示。

高校举办高等学历继续教育必须回归初心，不能以营利为目的，不能搞“菜篮子工程”。高等学历继续教育必须坚持社会主义办学方向，坚持育人为本，为国家重大战略和经济社会发展培养合格的高素质人才。这是办好高等学历继续教育的根本出发点。目的、定位一旦错了，跑得越快越远，危害越严重。高校要站在终身教育、学习型社会建设的高度，将高等学历继续教育纳入学校整体发展规划和人才培养体系。高校举办高等学历继续教育只能是“培养人才”，而不能“贩卖文凭”。因此，一所高校高等学历继续教育的办学层次、类型、结构、规模、质量一定要与学校办学定位、办学条件和社会声誉相适应，不能盲目追求规模，追逐经济效益。

图2　文献所用物理模型 Fig.2　The physical model in the literature

图3　模拟数据与文献数据对比图 Fig.3　Comparison chart with literature data

从图3中可以看出，所建立的数理模型与文献中的实验及模拟结果吻合良好，最大偏差小于0.02，验证了本文中数理模型的正确性，可采用所建立的模型来模拟卧式储罐的油蒸汽置换过程。

三、.树干涂药，防治果树的蚜虫、红蜘蛛和介壳虫等。可在距地面2米高的树干上涂抹氧化乐果农药。药液被树木吸收后能运输到树体各部位，害虫一旦取食就会中毒死亡，防效可达85%以上。如果在涂药部位包扎绿色或蓝色的塑料薄膜，药效更好。

2.2　卧式储罐油蒸汽置换过程模拟

由于罐内具有多种物质组分[14]，其组分输运方程为：

2.3　网格无关解的验证

网格质量的好坏直接影响模拟结果的准确性，为保证网格质量，在划分网格时先将计算域分块处理，以保证高质量网格；由于储罐的球形部分难以通过结构化网格进行网格划分，因此使用非结构化四面体生成网格；出入口附近的湍流强度和组分浓度变化较剧烈，所以在划分网格时对进出口处进行加密处理。将入口和出口网格尺度设置为0.01 m，最大尺寸设置为0.1 m，生成555 817个非结构化四面体控制容积，所划分的网格如图4所示。

图4　卧式储油罐网格图 Fig.4　Grid diagram of horizontal oil storage tank

为验证555 817个四面体网格能否得到网格无关解，将网格数目加密至731 942和1 172 386个四面体。采用上述3套网格，对抽吸速率为10 m3/min，抽吸口插入深度为2.5 m，出入口相对距离为3 m的算例分别模拟，所得到油蒸汽置换率随时间的变化结果如图5所示。从图5中可以看出，上述3套网格算出的结果完全吻合。因此，认为555 817个网格可以得到网格无关解。

图5　不同网格数下置换率与时间的关系 Fig.5　Relationship curve between replacement rate and time in different grid numbers

3　计算结果及分析

3.1　置换率的关键因素影响分析

在储罐油蒸汽的置换作业中，抽吸速率、抽吸时间、抽吸管插入深度及进出口的位置是影响置换率的关键因素，为给现场置换作业提供较为完备的参考，对各个因素产生的影响进行分析。

对于图1所示的储罐，首先模拟了不同抽吸速率下油蒸汽的置换过程，置换率与时间的关系如图6所示。

图6　不同抽吸速率下置换率与时间的关系 Fig.6　Relationship between replacement rate and time at different suction rates

由图6可以看出，在抽吸速率为10 m3/min时，抽吸15 min置换率已经达到了92.0%，抽吸30 min的置换率为99.7%，置换效果最好；而另外2种抽吸速率作业30 min置换率分别为75.8%、94.2%，说明在这2种抽吸速率下，要想达到良好的置换率，需要加长抽吸时间。置换效果随着抽吸速率的增大而变好，因此，在设备允许的情况下，应该尽量增大抽吸速率。

为考察抽吸管插入深度对置换过程的影响，对于图1的罐型，在抽吸速率为10 m3/min的条件下，分别计算了抽吸管插入深度h为0、1.3、2.5 m时的置换情况，结果如图7所示。

图7　抽吸管不同插入深度下置换率与时间的关系 Fig.7　Relationship curve between the replacement rate and time at different insertion depths of suction tubes　

图9　抽吸速率为10 m3/min时的空气体积分数截面云图 Fig.9　Cross section of volume fraction of air at the suction rate of 10 m3/min

从图7可以看出，抽吸管在不同插入深度下其最终的置换效果较为接近，所需的置换时间相差不多，但是在置换过程中置换率有显著差异，抽吸管插入越深其置换效果越好。这是由于空气密度较油蒸汽密度小，从吸入口进入以后慢慢向储罐上方聚集，因此，越靠近储罐顶部其空气浓度越高，抽吸管插入越浅，每分钟从抽吸管抽出的空气越多，对于油蒸汽的置换效果也越差。由图6、图7可得出，抽吸速率为10 m3/min，插入深度为2.5 m是储罐的最佳置换条件。

为进一步研究进出口相对距离对置换率的影响，在此最佳置换条件下计算了进出气口距离分别为3.0、1.5 m的2种常用罐型的置换情况，结果如图8所示。从图8中可以看出，对于加油站常用型号的2种卧式储罐，进出气口距离为3 m的罐型的置换效果优于进出口距离为1.5 m的罐型，这是因为当进出口距离较近时，空气距离出口的路径短，抽吸管吸出的空气相对较多，导致置换效果略差。

图8　不同进出气口位置下置换率与时间的关系 Fig.8　Relationship curves between replacement rate and time at different inlet and outlet locations

3.2　死角及危险性分析

现场使用气体检测仪检测气体组分浓度的方式难以检测罐内是否存在局部浓度集中的情况，采用平均体积分数也较难反映是否存在“置换死角”。为了对储罐的置换过程进行全方位的分析，首先将各个时刻储罐中间截面的空气体积分数云图呈现出来，抽吸速率为10 m3/min时储罐的空气体积分数截面云图如图9所示。

式中：ml为组分l的局部质量分数，为单位体积内组分l的质量变化率；ρmlui为组分l的对流流量密度；Jl，i为组分l的扩散通量，在湍流中：

式中：μ为动力黏度，Pa·s；μt为湍流黏度，Pa·s；p为压力，Pa；ρ为密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

图10　不同抽吸速率置换30 min时空气体积分数的三维视图 Fig.10　Three dimensional view of air volume fraction in 30 minute replacement at different suction rates

同时，文献中一般将汽油蒸汽的爆炸燃烧范围取在1%～7.6%内[18]，当抽吸时间为30 min时，只有抽吸速率为10 m3/min时才能符合要求，这也说明空气置换可燃气体需要较高的操作要求，具有一定的危险性。

4　结论

对不同设计的成品油储罐空气置换问题进行了数值模拟，主要得出以下几点结论：

患者术后活动逐步进行,首先在床上坐,然后在床边坐,再由陪护搀护下地活动,不可突然改变体位,以免引起脑部供血不足,导致头晕甚至昏倒。

(1)加油站常用的2种卧式埋地储罐，在其他影响因素保持一致的条件下，进出口相对位置较远的罐型置换效果更好；

(2)对于只能从顶部开口进行油蒸汽置换的卧式埋地储罐，抽吸管插入深度越深，其置换效率越高；

当然，智能楼宇系统所涉及的应用众多，除了本文提到的一些常见的智能化子系统外，还包括物业管理、资产管理、机房、供配电控制以及BIM等信息化应用。此外，基于LoRa和NB-IoT等低功耗广域网通信技术及方案产品也逐步应用于建筑中，因此，在实际工程中，如何进行物联网接入网关和数据平台的选型或开发，使其满足复杂多样的楼宇前端设备接入和上层应用，是系统实施需要考虑的首要问题。

(3)在保证抽吸速率的情况下，改变抽吸管深度及进出口位置，经过一段时间的置换，虽然各个位置上的油蒸汽浓度存在着一定的差异，但并不会出现明显置换死角；

(4)对于置换效果较好的罐型，在计算得到的最佳置换条件下(抽吸速率为10 m3/min，抽吸管插入深度为2.5 m)，仍然需要0.5 h的时间，因此在进行现场作业时，建议多通风一段时间。

“美国由于产业成熟度高，基本在物流行业中形成了寡头垄断的局面，其产业结构相对比较扁平。而中国基本上没有规模30亿元以上的合同物流企业，市场集中度比美国更差，而中间环节也远较美国复杂，往往在货主和最后的承运司机当中，会有若干层的转包，第三方物流无法管控到终端的司机，已是这个行业的通病。”David Chou在一家美国物流企业拥有10多年的工作经验，他告诉《中国储运》记者，在美国可能前十名的物流企业大概会占70%的市场份额，但是中国的零担市场是非常分散的，前10名基本上还占不到2%，中国公路市场已有约270万家企业，2000多万货运司机，大量弱小资源亟待整合。

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