LNG液滴自然对流蒸发模型开发与应用
发布时间：2021-08-24 07:30
远距离大批量的天然气运输,多采用将天然气深冷液化为-163℃的LNG（Liquefied Natural Gas）,再通过LNG运输船进行运输。LNG液舱运营投产前,需先用BOG（LNG蒸气）置换液舱内凝点较高的气体,再进行喷雾预冷以保证装载时的安全。大型的LNG液舱多采用LNG作为喷雾预冷的制冷剂,使LNG液滴在BOG中蒸发吸热,以达到液舱预冷的目的。液舱预冷工作危险系数高,技术难度大。但是,目前缺乏适用于LNG液舱喷雾预冷过程模拟预测的LNG液滴在BOG中蒸发的液滴蒸发模型。因此,采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）的方法,基于气液界面能量守恒原理,建立了LNG单液滴和无蒸发恒温低温球在LNG蒸气中自然对流换热蒸发的数值模型。首先利用该模型模拟分析了温差从190 K到10 K,粒径从2.5 mm至0.1 mm的低温球自然对流换热特性。然后以此为基础,对相同工况下LNG液滴在其蒸气中自然对流换热蒸发特性进行研究。分析了温差、粒径对蒸发和换热特性的影响,并通过与低温球换热特性对比,量化研究了“吹拂效应”,建立了无量纲关联式。在此基础上建立...
【文章来源】：浙江海洋大学浙江省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
简单二维网格示意图
第二章液滴自然对流蒸发数值模型及验证11Edge——边，面Face的边界（3D）；Node——网格节点，Edge的交汇点，需要求解的物理量的几何位置；Cellcenter——存储单元数据的位置；以LNG液舱喷雾预冷中单个LNG液滴在周围过热蒸气中自然对流换热蒸发为计算域的物理模型，建立二维轴对称网格化模型。采用CFD前处理软件Gambit进行几何建模和网格划分。整个网格化模型以X轴为对称轴，液滴和低温球的几何中心位于坐标轴原点处。由边界层理论可知，影响对流换热的主要部分就是蒸气和液滴界面附件的一层温度和速度变化非常剧烈的薄层，即边界层。而主流区的蒸气对对流换热的影响非常有限。因此，在液滴和低温球表面划分质量很高的边界层网格。以准确模拟边界层内的蒸气流动。由于液滴和低温球表面附近流场较为复杂，且后期要对液滴和低温球表面的局部换热蒸发特性进行研究，因此以液滴和低温球表面为基准，对整个二维平面的网格进行局部加密处理，以准确模拟液滴与低温球周围的流常对整个二维平面采用非结构化网格划分。划分好的网格化模型如图2-2所示。图2-1简单二维网格示意图图2-2网格化模型示意图Fig.2-1Simple2DgridFig.2-2Diagramofmeshmodel2.2.2求解设置选择Pressure-Based基于压力的求解器，选择稳态2D轴对称模型。由于自然对流是流体中存在不均匀的温度场，引起密度差在重力的作用下发生的流动，所以打开重力选项，在X轴正方向施加重力加速度g=9.81m/s2。对流换热涉及能量的传递，在Models中开启能量方程。选择粘性层流模型模拟主流区和边界层内流体的流动。流体材料选择纯净甲烷（CH4）作为工质。在自然对流的模拟中，为了处理由于温差引起的浮升力项，最常用到的是Boussinesq假设。该假设忽略了流体中的粘性耗散，除了密度之外，其他
中，最大温差达到 190 K，流体密度变化较大，所以 Boussinesq 模型不适用。在本研究选用 ideal-gas 理想气体模型计算流体密度变化。 边界条件设置中，计算域左边界设为 Pressure-inlet 压力进口边界条件，右边界设为 Pressure-outlet 压力出口边界条件，上边界设为绝热无滑移 wall 边界条件，液滴表面设为 Velocity-inlet 速度进口边界条件，恒温低温球表面设为 wall 壁面边界条件，X轴为对称边界条件。压力设为常压 101325 Pa，液滴和低温球表面温度设为饱和温度T=110 K。选择基于压力的 SIMPLE 算法，采用二阶迎风格式离散。为了便于后续的数据处理和对局部换热蒸发特性的分析，定义一个来流夹角 φ，φ=0°为迎向来流的前滞止点，φ=180°为顺流方向的后滞止点。具体的边界条件和来流夹角 φ 如图 2-3 所示。
本文编号：3359566
【文章来源】：浙江海洋大学浙江省
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
简单二维网格示意图
第二章液滴自然对流蒸发数值模型及验证11Edge——边，面Face的边界（3D）；Node——网格节点，Edge的交汇点，需要求解的物理量的几何位置；Cellcenter——存储单元数据的位置；以LNG液舱喷雾预冷中单个LNG液滴在周围过热蒸气中自然对流换热蒸发为计算域的物理模型，建立二维轴对称网格化模型。采用CFD前处理软件Gambit进行几何建模和网格划分。整个网格化模型以X轴为对称轴，液滴和低温球的几何中心位于坐标轴原点处。由边界层理论可知，影响对流换热的主要部分就是蒸气和液滴界面附件的一层温度和速度变化非常剧烈的薄层，即边界层。而主流区的蒸气对对流换热的影响非常有限。因此，在液滴和低温球表面划分质量很高的边界层网格。以准确模拟边界层内的蒸气流动。由于液滴和低温球表面附近流场较为复杂，且后期要对液滴和低温球表面的局部换热蒸发特性进行研究，因此以液滴和低温球表面为基准，对整个二维平面的网格进行局部加密处理，以准确模拟液滴与低温球周围的流常对整个二维平面采用非结构化网格划分。划分好的网格化模型如图2-2所示。图2-1简单二维网格示意图图2-2网格化模型示意图Fig.2-1Simple2DgridFig.2-2Diagramofmeshmodel2.2.2求解设置选择Pressure-Based基于压力的求解器，选择稳态2D轴对称模型。由于自然对流是流体中存在不均匀的温度场，引起密度差在重力的作用下发生的流动，所以打开重力选项，在X轴正方向施加重力加速度g=9.81m/s2。对流换热涉及能量的传递，在Models中开启能量方程。选择粘性层流模型模拟主流区和边界层内流体的流动。流体材料选择纯净甲烷（CH4）作为工质。在自然对流的模拟中，为了处理由于温差引起的浮升力项，最常用到的是Boussinesq假设。该假设忽略了流体中的粘性耗散，除了密度之外，其他
中，最大温差达到 190 K，流体密度变化较大，所以 Boussinesq 模型不适用。在本研究选用 ideal-gas 理想气体模型计算流体密度变化。 边界条件设置中，计算域左边界设为 Pressure-inlet 压力进口边界条件，右边界设为 Pressure-outlet 压力出口边界条件，上边界设为绝热无滑移 wall 边界条件，液滴表面设为 Velocity-inlet 速度进口边界条件，恒温低温球表面设为 wall 壁面边界条件，X轴为对称边界条件。压力设为常压 101325 Pa，液滴和低温球表面温度设为饱和温度T=110 K。选择基于压力的 SIMPLE 算法，采用二阶迎风格式离散。为了便于后续的数据处理和对局部换热蒸发特性的分析，定义一个来流夹角 φ，φ=0°为迎向来流的前滞止点，φ=180°为顺流方向的后滞止点。具体的边界条件和来流夹角 φ 如图 2-3 所示。
本文编号：3359566
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