储罐结构内爆载荷及动力响应的数值模拟研究

发布时间：2020-03-28 04:42

【摘要】：石油化工行业中的钢储罐结构是一种典型的组合式薄壳容器,常用于各类易燃易爆介质的储存。储罐内部液体介质在填充和排空过程中,外部空气会进入罐内与液体介质挥发出的可燃气体混合,当可燃气体浓度处于爆炸极限范围时,极易在意外点火条件下发生燃烧爆炸,致使储罐结构在爆炸超压和升温作用下发生破坏。论文以储罐内部可燃气体燃烧爆炸事故为研究背景,对其中涉及的科学问题进行提炼,采用数值模拟方法研究了储罐结构的内部爆炸载荷及动力响应问题。具体开展的研究工作如下:(1)基于TNT当量法的含液储罐耦合动力学分析采用TNT当量法对可燃气云爆炸超压进行等效,建立含液储罐内爆共节点流固耦合模型,实现了内爆流场与储罐结构间的位移协调及加速度、速度耦合;基于该模型分析了不同TNT当量、不同液位高度条件下储罐结构的爆炸超压分布及动力响应。(2)储罐内部可燃气体爆炸温、压载荷CFD模拟采用计算流体动力学(CFD)方法建立容器内部可燃气体爆炸过程的数值计算模型,通过对小型容器进行模拟并与实验结果对比,验证了数值模型的正确性。在此基础上,模拟了储罐结构内部可燃气体的爆炸过程,获得了储罐内壁面的升温和超压载荷分布,讨论了传热过程对爆炸超压的影响。(3)储罐内部可燃气体爆炸过程中的耦合问题研究基于弱耦合方法研究储罐内部可燃气体爆炸过程中的流固耦合及耦合传热问题,获得了储罐结构在爆炸超压作用下的弹塑性动力响应以及升温作用下的温度分布;进一步采用强耦合方法研究内部爆炸流场与储罐结构间的耦合传热问题,并将数值结果与弱耦合方法进行对比分析。(4)储罐结构内部爆炸温、压载荷及动力响应研究基于壳传导耦合传热模型,分析了不同点火位置条件下储罐内壁面的温、压载荷分布情况。基于热-流-固耦合模型研究超压和升温载荷共同作用下储罐的响应问题,采用Johnson-Cook模型描述结构的应变率硬化及温度软化效应,讨论了不同点火位置条件下储罐结构的动力响应。
【图文】：

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薄壳结构作为五大空间结构形式之一，由于受力均匀，形式多样、结构优美等优程实际中得到了广泛应用[1-2]。石油化工行业中常见的圆柱形固定顶储罐就是一的组合式薄壳结构(容器)。此类储罐主要由底板、罐壁、顶盖三部分构成，能够储存介质提供一个密闭空间，使之避免雨水、沙尘等污染，同时减少挥发性气体空气中排放，在石油化工领域中应用最为广泛。图 1.1 为实际工程中的拱顶储罐构示意图。

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3 年启动了石油战略储备计划，计划到 2020 年将石油储备提升至国际能源署规定的线[3]。随着储量的增加和储罐结构的大型化，燃烧爆炸事故的风险不断升高的同时爆炸事故造成的损失也更为严重。据统计，在 2006~2011 年我国化工行业中共计 11灾和爆炸事故，其中储罐事故达到 27 起，所占比例超过 20%，是仅次于反应容器的第二大事故类型[4]。图 1.2 为储罐内部介质燃烧爆炸所引发的事故。
【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TE972

【参考文献】