液化气体储罐流固耦合响应过程研究

发布时间：2020-08-08 22:17

【摘要】：随着国家能源发展战略对清洁、高效、安全、可持续现代能源体系的构建,清洁燃料如天然气、石油气、氢气等在能源结构优化中占据的地位变得愈加重要。而气体燃料由于往往采用加压或低温方式进行液化储存,因此具有明显的降压敏感和热敏感特性,一旦其储存设备破裂,将迅速沸腾喷射,引发蒸汽爆炸、火球甚至罐区的连环爆炸事故。液化气体储罐破裂事故受到国内外学者的广发关注,已开展的研究工作获得了储罐破裂事故的宏观规律,关于高温下固体材料应力响应和罐内介质能量积累影响下的储罐破裂过程裂纹扩展行为的认识仍不够充分。本文从该过程涉及到的罐体金属材料性能高温退化及在非均匀壁温分布下的应力响应等问题入手,对储罐在高温和高压作用下的开裂行为进行研究,主要工作和结论如下:(1)基于工程分析软件FLUENT和ABAQUS建立了描述液化气体储罐热响应和固体力学响应过程的计算模型,热响应模型包括储罐壁面固体内部传热、储罐壁面与罐内介质之间传热以及罐内介质之间的相变传质等问题的求解;固体力学响应模型包括高温高压下储罐的应力响应以及裂纹扩展过程的求解。(2)通过对储罐受热过程的流体力学模拟,研究了火灾环境下储罐内丙烷介质和储罐壁面的热响应行为,获得了火灾影响下罐内压力的上升规律,揭示了储罐内介质和储罐壁面温度的不均匀分布特征。结果表明:储罐单侧受热条件下,罐内液相介质能形成较强的自然对流,温度分层不明显;气相壁面温度远高于液相壁面,受此影响气相空间形成明显温度分层,最高壁温出现在储罐顶部且分布不均;不受火焰加热的气相区域储罐壁温与液相壁温相近。(3)应用扩展有限元方法对固体壁面的开裂行为进行了力学仿真,通过对裂尖应力场和塑性变形场的分析,揭示了不均匀壁温条件下初始裂纹的扩展行为特征,结合储罐的热响应结果,论证了Birk 04-6实验局部开裂和04-1实验整体开裂的原因,三维储罐裂纹的扩展过程数值模拟结果与Birk实验最终裂纹形态吻合较好。结果表明,裂纹扩展受储罐顶部壁面温度分布影响较大:在04-6实验中由于顶部壁温峰值较高,导致储罐在较低压力下产生初始裂纹,而由于顶部壁温沿轴向差异较大导致裂纹扩展受限,仅形成局部裂口;04-1实验受风力影响顶部壁温相对较低,因此安全阀先开启,而随着介质的不断喷射损失,气相壁温整体升高,最终在形成裂口后迅速扩展直至整体开裂。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE65;TQ053.2

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