热环境下储罐热响应行为数值模拟研究

发布时间：2020-11-03 04:15

　　 随着化工工业的快速发展,气体燃料作为新型的化工燃料和能源,具有清洁、控制性强和便于运输等特点,广泛运用于日常生活和工业生产中。由于气体燃料本身具有易燃易爆炸的性质,所以在日常和工业生产,运输和使用过程中一旦泄漏,液化可燃气体会迅速气化形成大量爆炸性混合气体,发生火灾爆炸事故。由于气体燃料储罐灾害事故时有发生,所以研究储罐在热环境下的热响应行为对预防灾害事故的发生和减少事故后果具有重要的指导意义。多年来,国内外研究人员对对储罐的热响应行为进行了大量的实验研究和数值模拟。总结了储罐热响应行为的原理和规律,现有研究表明储罐热响应行为中,热分层的产生可以降低储罐内部介质的能量,从而降低储罐失效发生的风险。但是由于实验过程的复杂性和危险性,还有数值模拟过程中的不确定性,所以对于储罐热响应行为中的热分成形成和消除机理以及影响因素的研究尚未达成一致的结论,仍然是学术界的研究热点。鉴于此,本文展开了以下研究工作:(1)以实验储罐为研究对象,建立合理热环境下储罐热响应行为的物理模型和数学模型。采用二维非稳态计算和基于压力的分离式算法对控制方程进行求解,选取RNG k-ε湍流模型和VOF两相流模型进行数值模拟,使用自定义函数UDF来控制气液相变过程。(2)用Fluent软件对热环境下的储罐热响应行为进行模拟计算,验证计算模型的有效性,分析了介质温度响应,壁面温度响应和压力响应过程。改变加热区域、充装率、外部热环境、介质初温和壁面参数进行计算模拟,分析这些工况条件的改变对储罐热响应行为中热分层的产生和消除的影响。数值模拟结果表明:加热区域越大,储罐内部介质温度响应越强,压力上升速率越大,热分层维持时间越长;充装率越小,液相热分层度越高,热分层维持时间越长,压力上升速率越大,储罐壁面温度分层度越高且高温区域面积扩大;体积生热率越大,储罐内部介质温度响应和压力上升速率越高,沸腾扰流作用越强,温度突跃时间更短;介质初温越高,热分层程度越低,分层消除时间越短;储罐壁面越厚,储罐内部介质温度响应和压力上升速率越低,壁面导热系数越高,热响应行为更强,但是壁面温度更低。加热区域越大,体积生热率越大,介质初温越高,储罐越容易失效。合理的充装率和壁面参数可以有效抑制储罐失效。本文创新点:采用体积热源的加热方式,研究各工况对热分层过程影响,研究热分层形成和消失的机理,并根据各工况条件对热分层的影响提出防止储罐失效的建议措施。
【学位单位】：天津理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TQ517.5;TQ086
【部分图文】：

燃料通常采用液化储罐储存的方式。液化储罐储存主要分为加压储。常见的如液化石油气（LiquefiedPetroleumGas，LPG）采用加压储主要用于液化天然气（LiquefiedNaturalGas，LNG）的储存。当液生破裂泄漏时，因为液化气体本身具有易燃的特性，使其会迅速气炸性混合气体，发生火灾爆炸事故。外液化气体储罐火灾爆炸事故频繁发生。1966 年，在法国发生了人死亡 LPG 蒸汽爆炸事故[1]。1984 年，墨西哥某罐区发生 LPG 储引发火灾导致储罐连环爆炸，造成 500 多人死亡和巨额财产损失[2]意大利 Viareggio 市发生的 LPG 储罐泄漏爆炸事故导致 31 人死亡上海某炼油厂发生的大型液化气灌爆照事故导致 40 多人伤亡[4]。市液化石油气站发生爆炸事故，事故导致数十人伤亡和多打 400 万[4]。在大型储罐火灾爆炸事故中，LPG 储罐产生的灾害占 46%[5]。储罐受到外部热侵袭作用时，储罐泄漏事故可以分为两类：第一类部破裂。介质形成气体云团，产生蒸起爆炸；第二类为储罐整体发生“沸腾液体膨胀蒸气爆炸事故”（Boiling Liquid Expanding Vn,BLEVE）。液化石油气储罐泄漏事故过程如图 1.1 所示。

图 2.1 储罐壁面传热模型Fig.2.1 The heat transfer model of the tank wall储罐固体壁面边界条件的设定除了要考虑传热模型，还要考虑储罐内壁面的湍流问题。当介质在近壁面处流动时，由于储罐壁面附近流场变量很大，因此内壁面对湍流流动的计算会产生很大的影响。无论哪种湍流模型都只能求解处于湍流核心处的流动，只针对充分发展的湍流流动才有效，靠近壁面存在粘性力的作用，因此近壁面的流动基本为层流，湍流应力不起作用。解决这一问题有两个方法：第一个方法是通过网格划分来解决，在近壁面处划分较细的网格，同时修正湍流系数；第二个方法是用半经验公式的壁面函数法，壁面函数法包括标准壁面函数法和非平衡壁面函数法。标准壁面函数法适用于普通流动问题，非平衡壁面法适用于近壁面处大流场梯度的问题。壁面函数法适应于高雷诺数的流动而壁面网格加密只适用于低雷诺数流动。因此本文模型采用标准壁面函数法。壁面函数法的好处在于不用加密网格，为后续计算过程节省资源。2.2.4 两相流模型

图 3.1 几何模型Fig.3.1 The Geometric model图3.1所示的几何模型内径为310mm，直筒段长度为510mm，总长度681mm，储罐壁面厚度为 8mm，储罐容积为 48L。因为本文模拟计算不考虑安全阀的作用，所以没有设置泄放管。该几何模型中，包括了气相区、液相区和壁面区。阴影部分为液相区，阴影部分上部的空白部分为气相区，如图所示储罐内部充装率为 58%。因为储罐是轴对称图形?
【参考文献】

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本文编号：2868079