大型液化天然氣儲罐泄漏擴散數(shù)值模擬

【摘要】：隨著液化天然氣(LNG)全球貿(mào)易量的快速增長,大批的LNG工程項目紛紛投產(chǎn),LNG儲罐的數(shù)量不斷增多,儲罐泄漏風(fēng)險進一步增大。大型LNG儲罐內(nèi)儲存著大量的極低溫(-162℃)且易燃易爆的LNG,一旦發(fā)生泄漏將對周邊人群、財產(chǎn)及大氣環(huán)境造成極大的危害。選擇合理方法與合適工具對大型LNG儲罐可能的泄漏及蒸汽云擴散危害后果進行模擬研究,對于LNG接收站選址、應(yīng)急預(yù)案制定、緊急疏散區(qū)域劃定以及事故危害后果評估與索賠等都有重要意義。 為了在眾多氣體擴散模型工具中確定一個適合本研究的模型,本文綜合了大量文獻研究成果,結(jié)合本研究的特點,制定了LNG泄漏擴散模型定量評價方法,借助于國外大型LNG泄漏擴散現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)集,對基于Fluent的CFD模型在LNG儲罐泄漏擴散模擬上的“有效性”進行定量評價,評價結(jié)果表明：同其它的模擬工具相比,Fluent對LNG儲罐泄漏擴散行為的模擬具有更好的“有效性”。 考慮到儲罐周邊空氣流動對LNG泄漏擴散的重要影響,本模擬研究分兩步進行,即,首先對LNG儲罐周邊環(huán)境風(fēng)場進行數(shù)值模擬,風(fēng)場計算收斂后再進行LNG泄漏擴散數(shù)值模擬。 為了對儲罐風(fēng)場進行數(shù)值模擬,本文分析了近地面的大氣邊界層流動特性及主要特征參數(shù),確定了平均風(fēng)剖面以及湍流特征參數(shù)的計算方式,并用C語言編制了相應(yīng)的UDF程序(用戶自編程序)；按照阻塞率、模型擺放位置以及風(fēng)出流面最佳位置等風(fēng)工程計算流域確定原則創(chuàng)建了包含有LNG儲罐物理模型的計算流域；采用了分體加密方法進行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量控制；最后對LNG儲罐風(fēng)場進行數(shù)值模擬。LNG儲罐風(fēng)場數(shù)值模擬結(jié)果不但表明了本文在計算流域建模上合理性,而且詳細地顯示了LNG儲罐附近區(qū)域的滯流、分流、繞流、回流等復(fù)雜流動特征。 然后文章分析了LNG泄漏擴散過程的基本特征,研究了流體在泄漏孔中的可能流動狀態(tài)及判斷方式,解決了LNG儲罐泄漏速率計算問題；采用了歐拉—拉格朗日多相流模型和顆粒的隨機軌道方法模擬LNG從泄漏孔泄漏后射流的發(fā)展變化過程；結(jié)合地面?zhèn)鳠釋嶋H情況,構(gòu)建了考慮LNG與地面間沸騰狀態(tài)的地面?zhèn)鳠崮Ｐ?并通過用戶自編程序(UDF)與多相流模型耦合。耦合了氣體相流動、液體相流動以及地面?zhèn)鳠岬饶Ｐ偷腖NG儲罐泄漏擴散模擬不但在三維空間上直觀形象地顯示出氣云不同濃度區(qū)域隨時間動態(tài)變化過程,而且很好地模擬出氣云重力沉降、葉狀分叉、兩側(cè)堆積等氣云擴散特征。 LNG泄漏擴散過程中出現(xiàn)的“白霧”現(xiàn)象是由于泄漏擴散形成的低溫場導(dǎo)致空氣中水蒸氣發(fā)生結(jié)冰結(jié)露相變引起的。為了考察空氣中的水蒸氣在LNG儲罐泄漏擴散過程中的相變行為及其對氣云擴散的影響,本文利用VOF多相流模型與物質(zhì)輸運模型來求解冰、水和水蒸氣各相的無相變流動,再根據(jù)冰、水和水蒸氣相間的傳質(zhì)傳熱機理分別構(gòu)建了水的蒸發(fā)冷凝模型、升華和凝華模型以及凝固和融化模型,通過UDF程序解決了水蒸氣與水、冰相間的傳質(zhì)傳熱問題,最終實現(xiàn)了LNG泄漏擴散過程水蒸氣相變數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果表明：溫度場是水蒸氣發(fā)生相變的直接推動力；空氣濕度對結(jié)冰結(jié)露的范圍有較大影響,對氣云擴散速度有一定影響,但對氣云下風(fēng)向最大危害距離、爆炸范圍等影響有限。 所有與事故相關(guān)過程的模擬研究都是為減災(zāi)救災(zāi)服務(wù)的。為此,本文最后對儲罐圍堰、建筑物、泄漏源以及風(fēng)等對LNG儲罐泄漏擴散的作用進行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果表明：圍堰能有效地堵截氣云,阻礙或減少氣云往下風(fēng)向漂移；泄漏形成的氣云容易集聚在儲罐與建筑物之間,將對建筑物構(gòu)成極大威脅；泄漏源與事故危害后果有直接關(guān)系,泄漏率越大,LNG泄漏擴散造成危害越大。根據(jù)這些模擬應(yīng)用結(jié)果對LNG站選址、站內(nèi)建筑設(shè)施布局規(guī)劃、事故防范及應(yīng)急反應(yīng)措施制定等提出相應(yīng)的科學(xué)建議。 【關(guān)鍵詞】：LNG 儲罐 泄漏 Fluent 環(huán)境
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號】：TE88
【目錄】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-27
• 1.1 研究背景與意義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 研究意義18-19
• 1.2 LNG泄漏擴散研究概述19-25
• 1.2.1 大型現(xiàn)場試驗19-21
• 1.2.2 風(fēng)洞實驗研究21-23
• 1.2.3 數(shù)學(xué)模擬23-24
• 1.2.4 數(shù)值模擬待解決的問題24-25
• 1.3 本文主要研究內(nèi)容25-27
• 第2章 LNG泄漏擴散FLUENT仿真有效性評價27-42
• 2.1 LNG泄漏擴散仿真工具的選擇---Fluent27
• 2.2 評價方法研究27-33
• 2.2.1 有關(guān)重氣擴散模型評估的研究27-28
• 2.2.2 LNG泄漏擴散FLUENT模擬有效性評價思路28-29
• 2.2.3 評價數(shù)據(jù)集的選擇29-30
• 2.2.4 評價物理變量的選擇30-31
• 2.2.5 偏差統(tǒng)計分析31-32
• 2.2.6 評價標(biāo)準(zhǔn)32-33
• 2.3 LNG泄漏擴散Fluent仿真有效性評價33-40
• 2.3.1 基于Burro現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)集的評價33-36
• 2.3.2 Coyote現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)集評價36-37
• 2.3.3 基于Falcon試驗數(shù)據(jù)集的評價37-40
• 2.4 LNG泄漏擴散模型評價的不確定性分析40-41
• 2.5 本章小結(jié)41-42
• 第3章 大型LNG接收站儲罐風(fēng)場數(shù)值仿真42-71
• 3.1 風(fēng)的特性及主要參數(shù)42-47
• 3.1.1 風(fēng)的特性42
• 3.1.2 大氣邊界層與平均風(fēng)剖面42-45
• 3.1.3 脈動風(fēng)的主要屬性45-47
• 3.2 計算流域建模47-51
• 3.2.1 LNG儲罐的幾何建模47-48
• 3.2.2 計算流域的確定48-51
• 3.3 計算流域網(wǎng)格劃分51-60
• 3.3.1 計算流域局部網(wǎng)格加密問題51-54
• 3.3.2 壁面邊界層網(wǎng)格劃分54-55
• 3.3.3 網(wǎng)格類型的選擇55-56
• 3.3.4 網(wǎng)格質(zhì)量的控制56-58
• 3.3.5 指定邊界類型58-60
• 3.4 基于FLUENT的LNG儲罐風(fēng)場仿真計算60-64
• 3.4.1 大型建筑物風(fēng)場FLUENT仿真的可行性60
• 3.4.2 邊界條件的設(shè)置60-61
• 3.4.3 風(fēng)場仿真計算過程重要設(shè)置61-64
• 3.5 風(fēng)場計算結(jié)果及分析64-69
• 3.6 本章小結(jié)69-71
• 第4章 大型LNG儲罐泄漏擴散過程數(shù)值仿真71-110
• 4.1 LNG泄漏擴散物理行為描述71-72
• 4.2 泄漏源強計算模型72-76
• 4.2.1 常用的LNG泄漏源強計算模型及分析72-73
• 4.2.2 泄漏流動狀態(tài)分析及流量系數(shù)確定73-76
• 4.3 基于Fluent的LNG泄漏擴散多相流計算方法76-86
• 4.3.1 多相流數(shù)值模擬方法及選用76-77
• 4.3.2 氣體相控制方程77-81
• 4.3.3 LNG液滴相(離散相)控制方程81-84
• 4.3.4 離散相與連續(xù)相間的耦合84-86
• 4.4 LNG儲罐泄漏擴散地面?zhèn)鳠崮M方法86-92
• 4.4.1 LNG儲罐泄漏擴散地面?zhèn)鳠嵊嬎惴治?/span>86-91
• 4.4.2 LNG儲罐泄漏擴散地面?zhèn)鳠嵊嬎懔鞒?/span>91-92
• 4.5 大型LNG儲罐泄漏擴散數(shù)值仿真92-109
• 4.5.1 仿真案例初始參數(shù)設(shè)定92-94
• 4.5.2 LNG儲罐泄漏擴散數(shù)值模擬94-96
• 4.5.3 大型LNG儲罐泄漏擴散計算結(jié)果及分析96-109
• 4.6 本章小結(jié)109-110
• 第5章 LNG泄漏擴散過程水蒸氣相變數(shù)值模擬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 歐拉多相流模型及本研究的選擇111
• 5.2.2 VOF模型111-113
• 5.2.3 VOF界面重建方法113
• 5.3 濕空氣相變及傳質(zhì)傳熱計算模型113-124
• 5.3.1 汽水冰相變傳質(zhì)傳熱分析113-117
• 5.3.2 水蒸氣蒸發(fā)與冷凝傳質(zhì)傳熱源相模型117-119
• 5.3.3 水升華與凝華傳質(zhì)傳熱源相模型119-121
• 5.3.4 融化與凝固傳質(zhì)傳熱源相模型121-124
• 5.4 LNG儲罐泄漏擴散水蒸氣相變數(shù)值模擬124-131
• 5.4.1 水蒸氣相變數(shù)值模擬重要設(shè)定124-126
• 5.4.2 水蒸氣相變數(shù)值模擬結(jié)果126-129
• 5.4.3 水蒸氣相變對LNG儲罐泄漏擴散的影響129-131
• 5.5 本章小結(jié)131-132
• 第6章 LNG儲罐泄漏擴散模擬的應(yīng)用研究132-154
• 6.1 儲罐圍堰的防范作用分析132-136
• 6.2 建筑物(擋板)阻擋作用分析136-139
• 6.3 風(fēng)的影響分析139-147
• 6.3.1 風(fēng)速的影響139-143
• 6.3.2 風(fēng)向的影響143-147
• 6.3.3 風(fēng)的影響模擬應(yīng)用分析147
• 6.4 環(huán)境溫度的影響分析147-151
• 6.5 泄漏源(泄漏率)的影響及防控分析151-153
• 6.6 本章小結(jié)153-154
• 第7章 結(jié)論與展望154-157
• 7.1 本文工作總結(jié)154-155
• 7.2 進一步研究展望155-157
• 致謝157-158
• 參考文獻158-165
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及參加的科研情況165

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