晃荡条件下LNG液货舱分层与翻滚现象的数值模拟

发布时间：2017-06-02 00:05

  本文关键词：晃荡条件下LNG液货舱分层与翻滚现象的数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着世界液化天然气贸易量的增长以及海上天然气开发和输运的发展,海上液化天然气(LNG)的输运的安全问题已成为一个重要的研究课题。“翻滚”现象指LNG储罐或液货舱内因壁面漏热,不同层之间不断进行热量和质量的交换,当密度相近时发生的涡旋与蒸发现象。翻滚现象的产生会对LNG的储运过程造成严重的威胁,应受到足够的重视。本文建立了LNG液货舱内分层和翻滚的物理模型和数学模型,应用FLUENT软件,模拟采用了多相流VOF模型和瞬态模拟方法,加入了自定义的激励函数程序,对一个薄膜型LNG液货舱在静止和晃动两种不同运动状态下的分层和翻滚现象进行数值模拟,得到了在漏热条件下LNG储罐内从分层到开始翻滚的动态过程及不同相之间的界面位置变化,并对这两种不同状态下液货舱的分层与翻滚过程进行了对比分析。模拟结果表明:在底壁和侧壁同时漏热的情况下,静止状态的储罐内会首先发生各自层内的自然对流,当上下两层液体密度相等时,两层液体会发生混合,产生剧烈的翻滚现象。增大侧壁和底壁的漏热强度以及减小初始的分层间密度差都会使翻滚现象发生的时间提前,改变初始分层的高度也对翻滚发生的时间和强度产生影响。在晃荡条件下,液货舱内两层液体会较快发生掺混,翻滚孕育过程要远小于静止条件。减小晃荡周期或者减小液货舱LNG的充满度都会减小翻滚孕育的时间。对静止和晃荡条件下分层与翻滚过程的对比,发现在晃荡条件下,使两层LNG密度快速达到一致的因素是晃荡的动力作用;静止条件下,由漏热和两层间的温差产生的双扩散作用是影响两层LNG密度变化的主要因素。通过数值模拟,得出了不同工况下薄膜型LNG液货舱内翻滚发生的条件和规律,最后给出了消除分层和预防翻滚的措施,为LNG的储存和运输安全提供一定的指导性建议和参考。
【关键词】：LNG液货舱 翻滚 分层 晃荡 数值模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE975
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 绪论10-21
• 1.1 课题背景10-13
• 1.1.1 LNG的储运与运输概况10-11
• 1.1.2 LNG储罐中的自然对流11
• 1.1.3 LNG储罐中的分层与翻滚现象11-13
• 1.2 研究LNG储罐内翻滚现象的意义13-14
• 1.3 国内外研究进展14-20
• 1.3.1 国外LNG分层与翻滚的研究进展14-17
• 1.3.2 国内LNG分层与翻滚的研究进展17-20
• 1.4 对国内外研究进展分析及本文主要研究内容20-21
• 第2章 LNG分层与翻滚模型建立及数值方法21-36
• 2.1 LNG船概述21-23
• 2.2 液货舱分层与翻滚的模型建立23-28
• 2.2.0 LNG储罐内的自然对流23-25
• 2.2.1 自然对流几个重要参数介绍25-26
• 2.2.2 液货舱物理模型26-27
• 2.2.3 计算域及网格划分27-28
• 2.3 数学模型及数值方法28-33
• 2.3.1 基本守恒方程28-29
• 2.3.2 BOUSSINESQ假设29-30
• 2.3.3 湍流流动模型30-31
• 2.3.4 多相流模型概述31-32
• 2.3.5 VOF模型32-33
• 2.4 网格无关性验证33-35
• 2.5 FLUENT求解流程35
• 2.6 本章小结35-36
• 第3章 静止工况下LNG分层与翻滚的数值模拟36-63
• 3.1 数值模拟相关设置36-38
• 3.1.1 静止工况下分层与翻滚的模型介绍36
• 3.1.2 材料物性参数36-37
• 3.1.3 边界条件和初始条件37
• 3.1.4 FLUENT求解器、算法及离散方法37-38
• 3.2 不同漏热工况下的模拟结果及分析38-50
• 3.2.1 热流密度为 20 W/m2的模拟结果38-42
• 3.2.2 热流密度为 30 W/m2的模拟结果42-45
• 3.2.3 热流密度为 40 W/m2的模拟结果45-48
• 3.2.4 漏热对翻滚过程影响分析48-50
• 3.3 不同分层高度工况下的模拟结果及分析50-57
• 3.4 不同初始密度差工况下的模拟结果及分析57-62
• 3.5 本章小结62-63
• 第4章 晃荡工况下LNG分层与翻滚的数值模拟63-80
• 4.1 晃荡工况下液货舱模型的建立63-64
• 4.1.1 晃荡条件下LNG液货舱模型63-64
• 4.1.2 材料参数设置及计算模型的选取64
• 4.2 液货舱晃荡问题的分析64-66
• 4.2.1 液货舱晃荡的外界激励形式64-65
• 4.2.2 液货舱晃荡激励函数的确定65-66
• 4.2.3 晃荡参数的选择66
• 4.3 不同周期下液货舱翻滚的结果与分析66-74
• 4.3.1 充满度 50%时不同周期工况下的模拟结果66-70
• 4.3.2 充满度 90%时不同周期工况下的模拟结果70-73
• 4.3.3 对不同周期下的模拟结果分析73-74
• 4.4 不同晃荡角度下液货舱翻滚的结果与分析74-76
• 4.5 晃荡工况与静止工况下分层与翻滚的对比分析76-78
• 4.6 消除液货舱内分层及预防翻滚的措施78-79
• 4.7 本章小结79-80
• 结论80-82
• 参考文献82-87
• 附录87-88
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果88-90
• 致谢90

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