LNG卸料臂气体置换系统、系统模型的建立及模拟方法与流程

lng卸料臂气体置换系统、系统模型的建立及模拟方法
技术领域
1.本发明涉及一种lng卸料臂气体置换系统、系统模型的建立及模拟方法，尤其涉及一种适用于lng刚性卸料臂内部进行气体置换时的气体流动系统、系统模型的建立及模拟方法，属于油气开发技术领域。


背景技术：

2.浮式液化天然气生产储卸装置(lng floating production storage and offloading unit,flng)是一种用于海上天然气田开发的浮式生产装置，通过系泊系统定位于海上，具有开采、处理、液化、储存和装卸天然气的功能，并通过与液化天然气(liquefied natural gas,lng)船搭配使用，实现海上天然气田的开采和天然气运输。利用flng进行海上气田开发结束了海上气田只能采用管道运输上岸的单一模式，节约运输成本，且不占用陆上空间。此外，flng还可以在气田开采结束后二次使用，安置于其他天然气田，经济性能较高。
3.lng卸料臂是一种安装在码头上或flng上的用于lng卸料的刚性铰接管道系统，主要结构包括旋转接头、外臂、内臂、顶端旋转接头、基础立管以及连接内臂和基础立管之间的旋转接头等工艺管道及其支撑结构和附件。大型lng卸料臂矗立在lng接收站码头区最前端，这一高约50m，重达80吨的庞然大物，作为接收站连接lng船舶与陆上管线及存储设施的关键核心装备，是整个接收站的“咽喉”。当lng运输船抵达接收站专用码头后，通过液相卸料臂和卸料管线，利用船上的低温泵将lng送进接收站的储罐内，同时储罐内的bog气体通过回气管线和气态回气臂，返回到lng运输船。lng卸料臂作业过程中，通过牵引线来引导卸料臂的端部和lng船接收端互连，以保证相对运动情况下能够准确对接，操控卸料臂的液压系统，使其能够承受船体运动导致的速度和加速度影响。
4.综上，lng刚性卸料臂系统关键技术都涉及低温材料选型、成型制造及密封、试验验证等诸多环节。材料选型与结构设计难度大，加工制造及性能测试工作难，超低温密封、连接和泄漏监测难度高，以及整套低温输送系统结构复杂，安全性要求高。其中气体置换系统作为lng低温输送系统的关键组成单元，其性能优劣直接影响lng低温卸料系统的安全稳定运行。现有技术主要存在以下技术缺陷：
5.气体置换系统是lng卸料臂的关键结构，通常气体置换系统单元与lng卸料臂的快速连接装置互联，作为独立的单元，用于对lng卸料臂在投产运行前或维护检修时对其内部进行气体置换，置换气体采用氮气，保障内部处于干燥及惰性气体状态。
6.通过对现有技术进行分析及lng卸料臂实际运行过程的经验可知，现有技术采用的气体置换系统单元存在的技术缺陷是主要依靠经验来设置气体置换系统的工况参数，气体耗量大、能耗高，操作持续时间长，导致气体置换效率低，亟需建立一种与气体置换系统相适配的计算模型来指导方案的优化设计。


技术实现要素：

7.针对上述技术问题，本发明提供一种lng卸料臂气体置换系统、系统模型的建立及模拟方法，本发明建立一种与气体置换系统相适配的计算模型来指导方案的优化设计，对于lng低温卸料输送系统的总体结构设计优化和安全稳定运行提供参考。
8.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：
9.一种lng卸料臂气体置换系统，包括：
10.由上至下依次串联的置换系统上管段、置换系统中管段和置换系统下管段，所述置换系统上管段、置换系统中管段之间通过分隔管板分隔开，所述分隔管板的下端悬挂有若干微孔分离器，所述微孔分离器的顶部对应设置有能量聚集装置，在靠近所述置换系统中管段的下端处设置有置换气体进口，所述置换系统上管段设置有置换气体出口。
11.所述的lng卸料臂气体置换系统，优选地，所述微孔分离器为中空管状结构，其管壁上设置有通气孔。
12.所述的lng卸料臂气体置换系统，优选地，所述通气孔均匀或离散分布在所述微孔分离器的管壁上。
13.所述的lng卸料臂气体置换系统，优选地，所述通气孔的孔径为30μm-50μm。
14.所述的lng卸料臂气体置换系统，优选地，所述微孔分离器的平均渗透率为1
×
10-12
m2。
15.本发明第二方面提供一种lng卸料臂气体置换系统模型的建立方法，包括如下步骤：
16.利用软件设置好初始化条件，激活用户自定义的初始化函数；
17.基于初始化函数开始循环，然后使用用户自定义的调整函数调整变量值；
18.求解u、v、w动量方程、质量守恒方程并更新速度值，解能量方程、组分方程以及湍动能和湍动能耗散方程；
19.更新性质，判断解是否收敛，若收敛则退出循环，若不收敛再转到用户自定义的调整函数调整变量值，开始下一步循环。
20.本发明第三方面提供一种lng卸料臂气体置换系统模型的建立装置，包括：
21.第一处理单元，用于利用软件设置好初始化条件，激活用户自定义的初始化函数；
22.第二处理单元，用于基于初始化函数开始循环，然后使用用户自定义的调整函数调整变量值；
23.第三处理单元，用于求解u、v、w动量方程、质量守恒方程并更新速度值，解能量方程、组分方程以及湍动能和湍动能耗散方程；
24.第四处理单元，用于更新性质，判断解是否收敛，若收敛则退出循环，若不收敛再转到用户自定义的调整函数调整变量值，开始下一步循环。
25.本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述lng卸料臂气体置换系统模型的建立方法的步骤。
26.本发明第五方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述lng卸料臂气体置换系统模型的建立方法的步骤。
27.本发明第六方面提供一种lng卸料臂气体置换系统的数值模拟方法，所述数值模
拟方法基于本发明第二方面所建立的模型，包括如下步骤：
28.基于物理守恒定律，建立控制方程组；
29.基于湍流强度和水力直径，确定气体置换系统的气体入口边界条件和出口边界条件；
30.基于壁面函数法和雷诺应力模型，确定气体置换系统的壁面边界条件；
31.基于多孔介质模型方法，确定气体置换系统的多孔介质边界条件；
32.基于控制方程组、气体入口边界条件和出口边界条件、壁面边界条件和多孔介质边界条件，对气体置换系统的气相流场进行分析。
33.本发明第七方面提供一种lng卸料臂气体置换系统的数值模拟装置，包括：
34.第一处理单元，用于基于物理守恒定律，建立控制方程组；
35.第二处理单元，用于基于湍流强度和水力直径，确定气体置换系统的气体入口边界条件和出口边界条件；
36.第三处理单元，用于基于壁面函数法和雷诺应力模型，确定气体置换系统的壁面边界条件；
37.第四处理单元，用于基于多孔介质模型方法，确定气体置换系统的多孔介质边界条件；
38.第五处理单元，用于基于控制方程组、气体入口边界条件和出口边界条件、壁面边界条件和多孔介质边界条件，对气体置换系统的气相流场进行分析。
39.本发明第八方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述lng卸料臂气体置换系统的数值模拟方法的步骤。
40.本发明第九方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述lng卸料臂气体置换系统的数值模拟方法。
41.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
42.本发明针对现有技术缺陷主要依靠经验来设置气体置换系统的工况参数，气体耗量大、能耗高，操作持续时间长，导致气体置换效率低等一系列问题，建立一种与气体置换系统相适配的计算模型来指导方案的优化设计，对于lng低温卸料输送系统的总体结构设计优化和安全稳定运行提供参考。
附图说明
43.图1为本发明一实施例提供的lng卸料臂及其气体置换系统的整体结构示意图；
44.图2为本发明一实施例提供的lng卸料臂气体置换系统的结构示意图；
45.图3为本发明该实施例提供的微孔分离器和分隔管板的俯视图；
46.图4为本发明该实施例提供的lng卸料臂气体置换系统模型的建立方法流程图；
47.图5为本发明该实施例提供的气体置换系统各个取值点的示意图；
48.图6为本发明该实施例提供的气体置换系统各个取值截面的示意图；
49.图7为本发明该实施例提供的气体置换系统中气相流场静压分布云图，y＝-8.87mm；
50.图8为本发明该实施例提供的气体置换系统中剖面气相流场静压分布云图，z＝
1000mm；
51.图9为本发明该实施例提供的气体置换系统中剖面气相流场速度分布图，y＝-28.87mm，其中a为合速度分布云图，b为轴向速度分布云图；
52.图10为本发明该实施例提供的气体置换系统中剖面湍动能(图a)、湍流黏度(图b)和湍流强度(图c)的分布云图，y＝-28.87mm；
53.图11为本发明该实施例提供的气体置换系统中横截面上的速度矢量图，图a中z＝100mm，图b中z＝1400mm，图c中z＝1000mm。
54.附图标记如下：
55.1-置换系统下管段；2-置换系统中管段；3-置换系统上管段；4-置换气体进口；5-置换气体出口；6-微孔分离器；7-分隔管板；8-能量聚集装置；9-卸料臂；10-立柱；11-旋轮机构；12-快速连接接头；13-紧急脱离装置；14-主管线；15-外壁支承；16-平衡传动机构。
具体实施方式
56.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
57.本发明建立了一种与气体置换系统相适配的计算模型来指导方案的优化设计，对于lng低温卸料输送系统的总体结构设计优化和安全稳定运行提供参考。
58.下面，结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。
59.如图1所示，其为lng卸料臂及其气体置换系统的整体结构示意图。由结构示意图可见，卸料臂9的主体主要包括立柱10、旋轮机构11、平衡传动机构16、外臂支承15、主管线14、紧急脱离装置13以及快速连接接头12等。气体置换系统作为独立的单元，与卸料臂9的快速连接接头12相连，是lng卸料臂主体之外的关键组成部分，用于对lng卸料臂在投产运行前或维护检修时对其内部进行气体置换，置换气体采用氮气，保障内部处于干燥及惰性气体状态。
60.如图2所示，本发明所提供的lng卸料臂气体置换系统，包括如下步骤：
61.由上至下依次串联的置换系统上管段3、置换系统中管段2和置换系统下管段1，置换系统上管段3、置换系统中管段2之间通过分隔管板7分隔开，分隔管板7的下端悬挂有若干微孔分离器6，微孔分离器6的顶部对应设置有能量聚集装置8，在靠近置换系统中管段2的下端处设置有置换气体进口4，置换系统上管段3设置有置换气体出口4。
62.进一步地，微孔分离器6为中空管状结构，其管壁上设置有通气孔，通气孔均匀或离散分布在微孔分离器6的管壁上，通气孔的孔径为30μm-50μm。
63.进一步地，微孔分离器6的平均渗透率为1
×
10-12
m2。
64.如图4所示，本发明还提供一种lng卸料臂气体置换系统模型的建立方法，包括如下步骤：
65.首先采用商业流体计算与模拟软件fluent，选用分离求解的方法。fluent软件本身提供的用户自定义程序功能，为用户提供了一些接口，可以在一定程度上对计算作更高级的控制和修改，如让用户自行设定边界条件、初始条件、流体的物性、相间相互作用、源
项、用户自定义的方程等。使用用户自定义函数(udf)可以实现的工作有：(1)定制边界条件、物质性质、表面和体积反应速率、输运方程的源项、用户定义的标量等；(2)基于每步迭代调整计算值；(3)对求解进行初始化；(4)异步执行udf；(5)加强前处理；(6)完善已经存在的模型(如多相流模型)。涉及到特定模型时，软件有一组相关的程序接口，本技术用到的udf程序接口有入口边界条件和动量源项。
66.具体地，首先设置好初始化条件，激活用户自定义的初始化函数(例如设定边界条件、初始条件、流体的物性、相间相互作用、源项、用户自定义的方程等)，开始循环，然后使用用户自定义的调整函数调整变量值，接着依次求解u、v、w动量方程，求解质量守恒方程并更新速度值，解能量方程，解组分方程，解湍动能和湍动能耗散方程，然后再更新性质，最后判断解是否收敛，如果收敛则退出循环，如果不收敛再转到用户自定义调整函数调整变量值，开始下一步循环。
67.根据上述建立的几何模型可知，气体置换系统单元由三根金属微孔分离器组成，金属微孔分离器长1500mm，内外直径分别是40和60mm。金属微孔分离器取平均渗透率1
×
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m2。图5和6为模拟用气体置换系统各个取值截面和取值点的示意图，其中s是表示测量点距离金属微孔分离器外表面的距离，α是测量点角度，z是测量位置高度。
68.本发明第三方面提供一种lng卸料臂气体置换系统的数值模拟方法，包括如下步骤：
69.(1)控制方程组的建立：
70.流体流动受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含不同成分(组元)的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律，如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流输运方程。控制方程(governing equations)是这些守恒定律的数学描述，应用数值方法对气体置换系统单元内气相流场进行模拟，首先要建立控制方程。气体置换系统单元内气相流场是三维湍流，流体动力学特性可以用质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程来描述，基本方程为：
71.公式1-19中的参数定义具体如下：
72.拉丁字母符号：
73.c
ꢀꢀ
颗粒项浓度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
kg/m374.c
2 惯性阻力系数
75.c
ij
ꢀꢀ
对流项
76.dhꢀꢀꢀ
水力直径
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀm77.d
l,ij 分子扩散项
78.d
p
ꢀꢀꢀ
组成多孔介质的物质的平均直径
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀm79.d
t,ij 湍流扩散项
80.e
ꢀꢀꢀꢀ
颗粒碰撞恢复系数
81.i
ꢀꢀꢀꢀ
湍流强度
82.k
ꢀꢀꢀꢀ
湍流脉动动能
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
m2/s283.kcꢀꢀꢀ
颗粒层阻力
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
m-2
84.k
ꢀꢀꢀꢀ
多孔介质渗透率
85.l
ꢀꢀꢀꢀ
湍流特征尺寸
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀm86.l
ꢀꢀꢀꢀꢀ
多孔介质的厚度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀm87.m
ꢀꢀꢀꢀ
颗粒层含量
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
kg/m388.p
ij
ꢀꢀꢀ
剪力产生相
89.p
ꢀꢀꢀ
压力
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
pa
90.re
p
ꢀꢀꢀ
雷诺数
91.s
ꢀꢀꢀꢀꢀ
测量点距离微孔分离器外表面的距离
ꢀꢀꢀꢀꢀ
mm
92.s
ꢀꢀꢀꢀꢀ
广义源项
93.s
ꢀꢀꢀꢀꢀ
面积
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
m294.t
ꢀꢀꢀꢀꢀ
时间
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀs95.t
ꢀꢀꢀꢀꢀ
温度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀk96.u、v、w 速度分量
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
m/s
97.v
ꢀꢀꢀꢀꢀ
气体置换速度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
m/s
98.x、y、z 直角坐标系的三个坐标
99.z
ꢀꢀꢀ
测量位置高度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
mm
100.希腊字母符号：
101.α
ꢀꢀꢀꢀꢀ
角度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ°
102.α
ꢀꢀꢀꢀꢀ
渗透率
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
m2103.β
ꢀꢀꢀꢀꢀ
修正系数
104.γθ
p 能量扩散系数
105.ε
ꢀꢀꢀꢀꢀ
孔隙率
106.ε
ij
ꢀꢀꢀ
应力耗散项
107.η
ꢀꢀꢀꢀ
气体粘度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
pa.s
108.μ
ꢀꢀꢀꢀꢀ
黏度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
pa.s
109.ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀ
密度
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
kg/m3110.τ
ꢀꢀꢀꢀꢀ
时间
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀs111.γ
ꢀꢀꢀꢀ
广义扩散系数
112.φ
gp
ꢀꢀꢀ
气相和固相间能量交换系数
113.φ
ij
ꢀꢀꢀ
压力应变项
114.上角标：
115.’ꢀꢀꢀꢀ
脉动量
116.—
ꢀꢀꢀꢀ
平均值
117.→ꢀꢀꢀꢀ
矢量
118.下角标：
119.b
ꢀꢀꢀꢀ
反吹
120.g
ꢀꢀꢀꢀ
气相
121.l
ꢀꢀꢀꢀꢀ
流体
122.p
ꢀꢀꢀꢀ
颗粒相
123.s
ꢀꢀꢀꢀ
固体
124.2d
ꢀꢀꢀꢀ
二维模型
125.3d
ꢀꢀꢀꢀ
三维模型
126.i、j、k坐标方向。
127.连续方程：
[0128][0129]
动量方程：
[0130][0131]
其中是应力张量，表达式为：
[0132][0133]
式中μ、i和分别是黏度、单位张量和重力；是多孔介质引起的源项，由粘性损失和惯性损失两部分组成，c2是惯性阻力系数，α金属微孔分离器渗透率，它与金属微孔分离器压降的关系由darcy公式表示：
[0134][0135]
能量方程：
[0136][0137]
其中，ef和es是流体和固体(这里是金属微孔分离器的多孔介质)的能量；γ是多孔介质的孔隙率，k
eff
＝γkf (1-γ)ks是有效热传导率，kf和ks流体和固体的热传导率。hi和ji是焓和组分扩散通量。
[0138]
采用雷诺时均法将上式各瞬态控制方程作时间平均处理，得到的时均方程中包含了脉动量乘积的时均未知数，于是方程个数少于未知数个数。湍流模型的任务就是由物理概念或某些假设出发，把这些湍流脉动值附加项通过一些特定关系式或输运方程与时均值联系起来，使方程组封闭。考虑到气体置换系统单元内存在旋转流的特点，本发明的湍流模型中雷诺应力各分量的输运方程为：
[0139][0140]
左端第一项为应力的时间变化率，c
ij
为对流项，右端d
t,ij
为湍流扩散项，d
l,ij
为分子扩散项，p
ij
为应力产生项，φ
ij
为压力应变项，ε
ij
为耗散项，其中，c
ij
、d
l,ij
和p
ij
只包含二阶关联项，不必进行处理。d
t,ij
，φ
ij
和ε
ij
包含有未知的关联项，必须用湍流模拟近似，即用低阶关联项来模拟高阶关联项。d
t,ij
、φ
ij
和ε
ij
三项计算方法如下：
[0141]
(1)湍流扩散项d
t,ij
的计算：
[0142]dt,ij
利用daly-harlow的梯度扩散模型计算：
[0143][0144]
该方程在计算时会产生许多交叉扩散项，引起计算的不稳定性，因此在fluent软件中简化为：
[0145][0146]
其中，μ
t
为湍流黏度，按进行计算，为湍流脉动动能，c
μ
＝0.09，σk＝0.082。
[0147]
(2)压力应变项φ
ij
的计算：
[0148]
fluent软件中对压力应变项的模拟给出典型的形式：
[0149]
φ
ij
＝φ
ij,1
φ
ij,2
φ
ij,w
ꢀꢀꢀ
(9)
[0150]
其中，φ
ij,1
为慢速项，又称为回归各向同性项；φ
ij,2
为快速项，φ
ij,w
为壁面反射项。慢速项φ
ij,1
为：
[0151][0152]
其中，c1＝1.8。快速项φ
ij,2
为：
[0153][0154]
其中，c2＝0.6。壁面反射项φ
ij,w
为：
[0155][0156]
式中，c1'＝0.5，c'2＝0.3，nk为壁面单位法向矢量的xk分量；d是到壁面的垂直距离；k为karman常数，k＝0.4187。
[0157]
(3)湍流耗散率ε
ij
的计算：
[0158]
ε
ij
表示分子粘性对雷诺应力产生的耗散，在建立耗散项的计算公式时，一般认为大尺度涡承担动能输运，小尺度涡承担黏性耗散，因此小尺度涡团近似认为是各向同性的，即认为局部各向同性，因此，湍流耗散率可由下式表示：
[0159][0160]
其中a是声速，用来修正流体的可压缩性。
[0161]
在上述得到的雷诺应力输运方程中，包含有湍动能k和耗散率ε。因此，补充k和ε的方程如下：
[0162]
k方程：
[0163][0164]
ε方程：
[0165][0166]
式中c
ε1
＝1.44，c
ε2
＝1.92，σ
ε
＝1.0。
[0167]
这样，由连续性方程、动量方程、能量方程、雷诺应力输运方程、k方程和ε方程构成封闭的三维湍流流动问题的基本方程组。
[0168]
(2)边界条件：
[0169]
(2.1)入口边界条件如下：
[0170]
气体置换系统单元气体入口为速度入口，操作压力是0.3mpa。入口压力是随时间变化的函数。入口处的剪切应力和微孔分离器孔隙率ε可通过湍流强度i和水力直径dh间接给出，具体过程如下：
[0171][0172][0173][0174]
[0175]
其中，c
μ
＝0.09，h＝1.42，u
avg
为入口处的平均流速，i是湍流强度，取i＝0.04，dh为入口水力直径，l为湍流特征尺寸，l＝0.07dh。
[0176]
(2.2)出口边界条件：
[0177]
出口边界条件按充分发展的管流条件处理，所有变量在出口截面处轴向梯度为零，即为此，在计算中将气体置换系统单元的出口管路加长，以保证充分发展条件的成立。出口处湍流参数的设置方法与入口处湍流参数的设置方法相似。
[0178]
(2.3)壁面边界条件：
[0179]
由于雷诺应力输运模型仅适于离开壁面一定距离的湍流区域，即湍流充分发展区，而在壁面附近的粘性支层的流动是低雷诺数流动，这种模型并不适用，为了衔接从壁面到充分发展湍流区之间的过渡，在壁面附近采用壁面函数法处理。其基本思想是，在湍流核心区采用高雷诺数下的雷诺应力模型进行计算，而在粘性支层不布置任何节点，把第一个与壁面连接的节点布置在旺盛湍流区内，通过一些半经验公式和函数与固壁上对应的变量联系起来，从而避免在粘性影响区使用高雷诺数下的雷诺应力模型。
[0180]
(2.4)多孔介质边界条件：
[0181]
气体置换系统单元中的金属微孔分离器物质是多孔介质，要细致的模拟其中的流动需要大量的网格。为了模拟这种流动，采用分布阻力的方法，也称为多孔介质模型方法。该方法的主要思想是将流动区域中固体结构的作用认为是附加在流体上的分布阻力，从而以较粗糙的网格来模拟流动。通过指定各个方向的阻力系数来建立多孔介质模型。
[0182]
(3)气体置换系统单元气相流场分析
[0183]
(3.1)稳态气体置换过程气相流场分布
[0184]
稳态气体置换过程不可压缩流动的模拟计算结果。气体以0.025m/s的表观速度穿过金属微孔分离器。操作压力和操作温度分别是0.3mpa和873k。图7、8是气体置换系统单元y＝-28.87mm和x＝0mm剖面气相流场静压分布云图。由图可以看出，在气体置换过程中，气体置换系统单元内金属微孔分离器6外部区域的静压分布均匀，各处压力几乎相等，气体穿过金属微孔分离器6时产生比较大的压降，金属微孔分离器6内压力沿金属微孔分离器向其开口端逐渐降低，置换气体顶部空间静压最低。而整个气体置换过程中压降主要集中在气体穿金属微孔分离器6的过程中。
[0185]
图9是气体置换系统y＝-28.87mm处剖面气相流场合速度(a)和轴向速度(b)分布云图。气体从一侧进入气体置换系统后，穿过金属微孔分离器6，流经能量聚集装置8，进入置换气体顶部空间，然后从置换气体出口5排出。随着气体不断穿过金属微孔分离器6多孔介质壁进入金属微孔分离器6内部，其内气体速度从封闭端到开口端逐渐增大。
[0186]
图10是气体置换系统单元y＝-28.87mm剖面湍动能(a)、湍流黏度(b)和湍流强度(c)分布云图。由图可知，在金属微孔分离器6开口端附近，湍动能、湍动黏度和湍流强度比较高。在金属微孔分离器6外，分隔管板7以下大约500mm的区域，湍流黏度和湍流强度比较高。
[0187]
图11显示的是z＝100、z＝1000和z＝1400mm气体置换系统单元横截面上的速度矢量图。从图中可以看出，气体径向进入金属微孔分离器6后向金属微孔分离器6顶部流动。z＝100mm的截面位置接近气体入口，在气体置换系统入口一侧的金属微孔分离器6附近流体
扰动明显。从这些图中可以看出，气体速度沿着金属微孔分离器6高度分布变化很大。
[0188]
本发明第四方面提供一种lng卸料臂气体置换系统模型的建立装置，包括：
[0189]
第一处理单元，用于利用软件设置好初始化条件，激活用户自定义的初始化函数；
[0190]
第二处理单元，用于基于初始化函数开始循环，然后使用用户自定义的调整函数调整变量值；
[0191]
第三处理单元，用于求解u、v、w动量方程、质量守恒方程并更新速度值，解能量方程、组分方程以及湍动能和湍动能耗散方程；
[0192]
第四处理单元，用于更新性质，判断解是否收敛，若收敛则退出循环，若不收敛再转到用户自定义的调整函数调整变量值，开始下一步循环。
[0193]
本发明第五方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述lng卸料臂气体置换系统模型的建立方法的步骤。
[0194]
本发明第六方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，处理器执行计算机程序时实现上述lng卸料臂气体置换系统模型的建立方法的步骤。
[0195]
本发明第七方面提供一种lng卸料臂气体置换系统的数值模拟装置，包括：
[0196]
第一处理单元，用于基于物理守恒定律，建立控制方程组；
[0197]
第二处理单元，用于基于湍流强度和水力直径，确定气体置换系统的气体入口边界条件和出口边界条件；
[0198]
第三处理单元，用于基于壁面函数法和雷诺应力模型，确定气体置换系统的壁面边界条件；
[0199]
第四处理单元，用于基于多孔介质模型方法，确定气体置换系统的多孔介质边界条件；
[0200]
第五处理单元，用于基于控制方程组、气体入口边界条件和出口边界条件、壁面边界条件和多孔介质边界条件，对气体置换系统的气相流场进行分析。
[0201]
本发明第八方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述lng卸料臂气体置换系统的数值模拟方法的步骤。
[0202]
本发明第九方面提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行计算机程序时实现上述lng卸料臂气体置换系统的数值模拟方法。
[0203]
本发明是根据具体实施方式的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解为可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0204]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0205]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0206]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。