大型液化天然气储罐泄漏扩散数值模拟

【摘要】：随着液化天然气(LNG)全球贸易量的快速增长,大批的LNG工程项目纷纷投产,LNG储罐的数量不断增多,储罐泄漏风险进一步增大。大型LNG储罐内储存着大量的极低温(-162℃)且易燃易爆的LNG,一旦发生泄漏将对周边人群、财产及大气环境造成极大的危害。选择合理方法与合适工具对大型LNG储罐可能的泄漏及蒸汽云扩散危害后果进行模拟研究,对于LNG接收站选址、应急预案制定、紧急疏散区域划定以及事故危害后果评估与索赔等都有重要意义。 为了在众多气体扩散模型工具中确定一个适合本研究的模型,本文综合了大量文献研究成果,结合本研究的特点,制定了LNG泄漏扩散模型定量评价方法,借助于国外大型LNG泄漏扩散现场实验数据集,对基于Fluent的CFD模型在LNG储罐泄漏扩散模拟上的“有效性”进行定量评价,评价结果表明：同其它的模拟工具相比,Fluent对LNG储罐泄漏扩散行为的模拟具有更好的“有效性”。 考虑到储罐周边空气流动对LNG泄漏扩散的重要影响,本模拟研究分两步进行,即,首先对LNG储罐周边环境风场进行数值模拟,风场计算收敛后再进行LNG泄漏扩散数值模拟。 为了对储罐风场进行数值模拟,本文分析了近地面的大气边界层流动特性及主要特征参数,确定了平均风剖面以及湍流特征参数的计算方式,并用C语言编制了相应的UDF程序(用户自编程序)；按照阻塞率、模型摆放位置以及风出流面最佳位置等风工程计算流域确定原则创建了包含有LNG储罐物理模型的计算流域；采用了分体加密方法进行网格划分和网格质量控制；最后对LNG储罐风场进行数值模拟。LNG储罐风场数值模拟结果不但表明了本文在计算流域建模上合理性,而且详细地显示了LNG储罐附近区域的滞流、分流、绕流、回流等复杂流动特征。 然后文章分析了LNG泄漏扩散过程的基本特征,研究了流体在泄漏孔中的可能流动状态及判断方式,解决了LNG储罐泄漏速率计算问题；采用了欧拉—拉格朗日多相流模型和颗粒的随机轨道方法模拟LNG从泄漏孔泄漏后射流的发展变化过程；结合地面传热实际情况,构建了考虑LNG与地面间沸腾状态的地面传热模型,并通过用户自编程序(UDF)与多相流模型耦合。耦合了气体相流动、液体相流动以及地面传热等模型的LNG储罐泄漏扩散模拟不但在三维空间上直观形象地显示出气云不同浓度区域随时间动态变化过程,而且很好地模拟出气云重力沉降、叶状分叉、两侧堆积等气云扩散特征。 LNG泄漏扩散过程中出现的“白雾”现象是由于泄漏扩散形成的低温场导致空气中水蒸气发生结冰结露相变引起的。为了考察空气中的水蒸气在LNG储罐泄漏扩散过程中的相变行为及其对气云扩散的影响,本文利用VOF多相流模型与物质输运模型来求解冰、水和水蒸气各相的无相变流动,再根据冰、水和水蒸气相间的传质传热机理分别构建了水的蒸发冷凝模型、升华和凝华模型以及凝固和融化模型,通过UDF程序解决了水蒸气与水、冰相间的传质传热问题,最终实现了LNG泄漏扩散过程水蒸气相变数值模拟。数值模拟结果表明：温度场是水蒸气发生相变的直接推动力；空气湿度对结冰结露的范围有较大影响,对气云扩散速度有一定影响,但对气云下风向最大危害距离、爆炸范围等影响有限。 所有与事故相关过程的模拟研究都是为减灾救灾服务的。为此,本文最后对储罐围堰、建筑物、泄漏源以及风等对LNG储罐泄漏扩散的作用进行数值模拟,模拟结果表明：围堰能有效地堵截气云,阻碍或减少气云往下风向漂移；泄漏形成的气云容易集聚在储罐与建筑物之间,将对建筑物构成极大威胁；泄漏源与事故危害后果有直接关系,泄漏率越大,LNG泄漏扩散造成危害越大。根据这些模拟应用结果对LNG站选址、站内建筑设施布局规划、事故防范及应急反应措施制定等提出相应的科学建议。 【关键词】：LNG 储罐 泄漏 Fluent 环境
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TE88
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-27
• 1.1 研究背景与意义12-19
• 1.1.1 研究背景12-17
• 1.1.2 LNG泄漏事故及危害17-18
• 1.1.3 研究意义18-19
• 1.2 LNG泄漏扩散研究概述19-25
• 1.2.1 大型现场试验19-21
• 1.2.2 风洞实验研究21-23
• 1.2.3 数学模拟23-24
• 1.2.4 数值模拟待解决的问题24-25
• 1.3 本文主要研究内容25-27
• 第2章 LNG泄漏扩散FLUENT仿真有效性评价27-42
• 2.1 LNG泄漏扩散仿真工具的选择---Fluent27
• 2.2 评价方法研究27-33
• 2.2.1 有关重气扩散模型评估的研究27-28
• 2.2.2 LNG泄漏扩散FLUENT模拟有效性评价思路28-29
• 2.2.3 评价数据集的选择29-30
• 2.2.4 评价物理变量的选择30-31
• 2.2.5 偏差统计分析31-32
• 2.2.6 评价标准32-33
• 2.3 LNG泄漏扩散Fluent仿真有效性评价33-40
• 2.3.1 基于Burro现场试验数据集的评价33-36
• 2.3.2 Coyote现场试验数据集评价36-37
• 2.3.3 基于Falcon试验数据集的评价37-40
• 2.4 LNG泄漏扩散模型评价的不确定性分析40-41
• 2.5 本章小结41-42
• 第3章 大型LNG接收站储罐风场数值仿真42-71
• 3.1 风的特性及主要参数42-47
• 3.1.1 风的特性42
• 3.1.2 大气边界层与平均风剖面42-45
• 3.1.3 脉动风的主要属性45-47
• 3.2 计算流域建模47-51
• 3.2.1 LNG储罐的几何建模47-48
• 3.2.2 计算流域的确定48-51
• 3.3 计算流域网格划分51-60
• 3.3.1 计算流域局部网格加密问题51-54
• 3.3.2 壁面边界层网格划分54-55
• 3.3.3 网格类型的选择55-56
• 3.3.4 网格质量的控制56-58
• 3.3.5 指定边界类型58-60
• 3.4 基于FLUENT的LNG储罐风场仿真计算60-64
• 3.4.1 大型建筑物风场FLUENT仿真的可行性60
• 3.4.2 边界条件的设置60-61
• 3.4.3 风场仿真计算过程重要设置61-64
• 3.5 风场计算结果及分析64-69
• 3.6 本章小结69-71
• 第4章 大型LNG储罐泄漏扩散过程数值仿真71-110
• 4.1 LNG泄漏扩散物理行为描述71-72
• 4.2 泄漏源强计算模型72-76
• 4.2.1 常用的LNG泄漏源强计算模型及分析72-73
• 4.2.2 泄漏流动状态分析及流量系数确定73-76
• 4.3 基于Fluent的LNG泄漏扩散多相流计算方法76-86
• 4.3.1 多相流数值模拟方法及选用76-77
• 4.3.2 气体相控制方程77-81
• 4.3.3 LNG液滴相(离散相)控制方程81-84
• 4.3.4 离散相与连续相间的耦合84-86
• 4.4 LNG储罐泄漏扩散地面传热模拟方法86-92
• 4.4.1 LNG储罐泄漏扩散地面传热计算分析86-91
• 4.4.2 LNG储罐泄漏扩散地面传热计算流程91-92
• 4.5 大型LNG储罐泄漏扩散数值仿真92-109
• 4.5.1 仿真案例初始参数设定92-94
• 4.5.2 LNG储罐泄漏扩散数值模拟94-96
• 4.5.3 大型LNG储罐泄漏扩散计算结果及分析96-109
• 4.6 本章小结109-110
• 第5章 LNG泄漏扩散过程水蒸气相变数值模拟110-132
• 5.1 本章基本求解思路110-111
• 5.2 VOF多相流模型111-113
• 5.2.1 欧拉多相流模型及本研究的选择111
• 5.2.2 VOF模型111-113
• 5.2.3 VOF界面重建方法113
• 5.3 湿空气相变及传质传热计算模型113-124
• 5.3.1 汽水冰相变传质传热分析113-117
• 5.3.2 水蒸气蒸发与冷凝传质传热源相模型117-119
• 5.3.3 水升华与凝华传质传热源相模型119-121
• 5.3.4 融化与凝固传质传热源相模型121-124
• 5.4 LNG储罐泄漏扩散水蒸气相变数值模拟124-131
• 5.4.1 水蒸气相变数值模拟重要设定124-126
• 5.4.2 水蒸气相变数值模拟结果126-129
• 5.4.3 水蒸气相变对LNG储罐泄漏扩散的影响129-131
• 5.5 本章小结131-132
• 第6章 LNG储罐泄漏扩散模拟的应用研究132-154
• 6.1 储罐围堰的防范作用分析132-136
• 6.2 建筑物(挡板)阻挡作用分析136-139
• 6.3 风的影响分析139-147
• 6.3.1 风速的影响139-143
• 6.3.2 风向的影响143-147
• 6.3.3 风的影响模拟应用分析147
• 6.4 环境温度的影响分析147-151
• 6.5 泄漏源(泄漏率)的影响及防控分析151-153
• 6.6 本章小结153-154
• 第7章 结论与展望154-157
• 7.1 本文工作总结154-155
• 7.2 进一步研究展望155-157
• 致谢157-158
• 参考文献158-165
• 攻读博士学位期间发表的论文及参加的科研情况165

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