液化天然氣低溫分層數值模擬

韓一飛

(西安航空學院， 西安 710077)

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液化天然氣低溫分層數值模擬

韓一飛

(西安航空學院， 西安 710077)

為研究液化天然氣儲罐內的分層現象，通過建立模型并求解N-S方程獲得距液面不同高度的溫度計算表達式。結合給定儲罐及所處環境的參數，計算隨時間變化時儲罐內的溫度分布，并繪制溫度變化曲線。該表達式所得理論數據與已有實驗數據較符合。對比液氫熱分層數值模擬速度分布，驗證了該表達式計算的溫度分布趨勢，進而為液化天然氣儲罐內因溫度分層發生翻滾的極限判據及儲罐設計的進一步研究提供理論支持。

分層；溫度分布；液化天然氣；液氫

液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)在停放和運輸階段，液體內部因組分不同會出現溫度分層現象[1-2]，尤其對于大型儲罐，液體中溫度分層現象尤為嚴重。分層現象的機理及規律研究可對換熱器的設計提供參考依據。在儲罐壁面漏熱的作用下，各層會形成獨立的自然對流循環。上下層相鄰液的液界面密度隨LNG的溫升速率發生變化，近似相等時會打破因漏熱引起的熱對流，導致“翻滾”現象[3]，使儲罐內壓力突然升高，甚至會對儲罐的安全造成威脅，迫使安全閥打開，造成LNG放空。

國內外對液化天然氣的分層與翻滾現象都進行了大量實驗與理論研究[4-7]。液氫作為新型航天運載火箭的推進劑,由于地面停放階段的外部自然對流及飛行過程中氣動熱等原因，貯箱內部會形成熱分層現象。探討液氫熱分層的內在機理和原因有助于我國宇航技術的發展。筆者針對低溫液體分層現象，以純甲烷為例，建立幾何模型、數學模型，簡化后通過求解N-S方程得到液相區儲罐內溫度分布的表達式。結合液化天然氣儲罐的具體尺寸參數和環境參數，計算儲罐內不同高度隨時間變化的溫度值。該理論數據與液氫低溫分層數值模擬和已知實驗數據一致[8-9]，為LNG 儲罐內分層發生翻滾的極限判據的進一步研究提供理論支持。

1 構建模型

1.1 原始數據

LNG容器：圓柱形，豎放，內徑為10 m，高為12 m。材料：不銹鋼，外表為珠光砂絕熱層，厚20 mm。常壓。氣體為CH4。

1.2 理論基礎

建立液化氣分層幾何模型。分層模型示意圖如圖1所示。

圖1 液化氣分層模型示意圖

1.2.1 分層模型

模型中，假設靠近儲罐壁面的液體受熱形成自然對流向上運動，在儲罐上部形成溫度分層區。自然對流的形成發展過程影響著分層區的形成。分層區內存在物質、動量和能量交換。動量與能量方程為：

動量方程

(1)

能量方程

若電纜、電線較多，也可采用橋架架設。當橋架穿越防護密閉隔墻時，應改穿管敷設，并按要求進行防護密閉處理。

(2)

將式(1)和(2)的邊界層溫度和速度無量綱化。假定邊界層厚度和特征速度的分布為：δ=a1xm1，U=a2xn1，分層區的溫度分布符合冪次分布E(Z)=mZn(m和n為常數，Z為分層區底部以上的高度)，求解得到a1，a2，m1和n1。相應溫度分布表達式為

(3)

式中：A為受熱面積；δs為分層區總高度；Z為距離分層區內底部的高度；T為加熱時間。

1.2.2 儲罐周壁在環境漏熱作用下的熱流密度

取環境溫度為20 ℃，即293.5 K，空氣對流換熱系數h0=7.6 W/m2K，珠光砂的導熱系數λ=0.05 W/m·K。儲罐壓力為0.1 MPa時，純甲烷的飽和溫度t=111.51 K；儲罐壓力為0.6 MPa時，飽和溫度t=138.73 K。忽略其對流換熱熱阻和不銹鋼壁的導熱熱阻。

管壁絕熱層熱阻：

其中：A0是圓柱體外徑下的周壁面積;A是內徑下的周壁面積。

2 溫度分布計算及分析

儲罐內的溫度分布計算基于式(3)。初始時刻，即壓力為0.1 MPa時，整個儲罐處于均相平衡狀態;液相分層形成后，其上部空間的氣枕壓力會隨液氣分界面處液體蒸發而增大至0.6 MPa。氣枕壓力變化是一個非定常過程。為簡化模型，假設氣腔內的壓力瞬間達到0.6 MPa，則對應氣液分界面處的溫度瞬間達到0.6 MPa對應的飽和溫度138.73 K。熱量不斷向液相區底部滲入，直到最終整個儲罐內液化氣溫度達到新的平衡狀態。計算過程中，物性參數隨溫度改變而變化，通過軟件可獲得液化氣在任意溫度、0.6 MPa定壓下的ρ和c值，代入式(3)可計算儲罐不同高度和經過不同時間后的溫度大小。

2.1 各高度下隨時間變化溫度的增加

甲烷在不同高度下經歷不同時間長短后的溫度增加值如表1和圖2所示。

由圖2可以看出：隨著時間的變化，氣液分界面處的溫度一直保持138.73 K不變，在較低儲罐高度下，隨著時間增大都會相繼達到138.73 K，當時間趨向于無窮大的時候，整個溫度場會變得均勻，即都達到0.6 MPa對應的飽和狀態。

2.2 經過特定時間后各高度下的溫度

由于分層現象，使得液相區上部溫度變化快，熱流更多的向上流動，進入儲罐的能量更多集中于液體上部的分層區，使溫度呈現上高下低的特點，如表2和圖3所示。

表1 甲烷經過不同時間后的溫度增加值 K

表2 液相區各高度經過不同時間后的溫度值 K

圖2 經過一段時間后液相區不同高度下的溫度增加值

由圖3可知：經相同時間后，液相區上部的溫度值較大，隨時間的延續，最終達到并保持138.73 K不變。時間越長，對應等高度溫度值越大。

2.3 不同時間、特定高度下溫度值

在特定高度下，當時間不斷增大時，各高度具體溫度值及變化曲線如表3和圖4所示。

表3 液相區各高度經過不同時間后的溫度值 K

由圖4可以看出：高度越高，壓力越容易達到0.6 MPa對應的飽和溫度138.73 K。曲線斜率隨高度降低而不斷減小，即高度越高，溫度變化越快。

圖4 特定高度不同時間后的溫度值

3 液氫儲罐熱分層二維非定常數值模擬

在液氫氣腔壓力為常壓，低溫液氫儲罐內徑為10 m，高為12 m，材料為不銹鋼，外壁面發泡絕熱層厚20 mm，考慮壁面漏熱產生熱分層現象，利用FLUENT軟件進行液氫二維非定常數值模擬，得到不同時間節點下的溫度分布，如圖5所示。

圖5 經過不同時間后液氫儲罐內的溫度分布

由圖5可以看出：儲罐內液氫在壁面漏熱作用下會沿內壁面形成向上的流動邊界層，熱量聚積在熱邊界層內使得液體溫度升高，密度降低。隨著時間的增加，熱流體向上運動引起熱邊界層厚度沿儲罐高度方向逐漸增加。氣枕區及熱邊界層的熱量隨回流流體的運動逐漸向下傳遞，高溫回流流體熱量因被內部過冷液體冷卻而降低。隨著自然對流循環的進行，儲罐內部液氫主體區出現軸向溫度分層現象，當等溫度曲線擴散至儲罐底部時，溫度分布最終穩定，達到新的平衡狀態。

4 結論

1) 氣液分界面處的溫度會一直保持138.73 K不變，儲罐較低高度處液體溫度隨時間變化會相繼達到0.6 MPa對應的飽和溫度138.73 K，最終整個溫度場變為均勻場。

2) 經過相同時間，熱流體更多地向上部區域流動使得該區域溫度值較大。同一時刻，儲罐內溫度呈上高下低的特點。

3) 低溫液體液氫的二維非定常數值模擬結果分析與筆者建立模型所得表達式并結合實踐參數的計算結果一致。

利用建立模型所得液化氣儲罐內溫度分布表達式計算的理論數據與已有實驗數據較符合，與數值模擬所得溫度場分布規律較一致，為液化氣儲罐內因分層發生翻滾的極限判據及液化氣儲罐設計的進一步研究提供了理論支持。

[1] 李品友，顧安忠.液化天然氣貯存非穩定性的理論研究[J].中國學術期刊文摘(科學快報)，1999，5(2)：170-172.

[2] 韓一飛.液化天然氣低溫貯存分層研究[J].西安航空學院學報，2014,32(1)：79-83.

[3] 林文勝，顧安忠，李品友.液化天然氣的分層與漩渦研究進展[J].真空與低溫，2000，6(3)：125-132.

[4] 程向華，厲彥忠，陳二鋒.火箭液氧貯箱熱分層現象數值模擬[J].低溫工程，2008，162(2)：10-13.

[5] 程向華，厲彥忠，陳二鋒，等.新型運載火箭射前預冷液氧貯箱熱分層的數值研究[J].西安交通大學學報，2008，42(9)：1132-1136.

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[9] 張凱，王瑞金，王剛.Fluent技術基礎與應用實例[M].北京:清華大學出版社，2010:125-13.

(責任編輯 劉 舸)

Numerical Simulation Study on Cryogenic Storage and Stratification of Liquefied Natural Gas

HAN Yi-fei

(Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710077, China)

This paper focused on stratification within the LNG vessel, and established the stratification model, and obtained the formula which calculated the temperature distribution of the liquid phase in the vessel through solving theN-Sequations. With the given parameters of the vessel and the environment, it got specific temperature at specific height in the vessel after a specific period of time, and drawn the temperature curve. The calculates agree with the temperature distribution trend from the cryogenic liquid hydrogen thermal stratification of numerical simulation results, and conforms to the experimental data so that it provides theoretical support for further research on criterion of hierarchical LNG tanks roll limit.

stratification; temperature distribution; liquefied natural gas; liquid hydrogen

2014-11-22 基金項目：陜西省自然科學基礎研究計劃資助項目(2012JQ7028)

韓一飛(1986—)，男，碩士，主要從事動力工程及工程熱物理研究。

韓一飛.液化天然氣低溫分層數值模擬[J].重慶理工大學學報：自然科學版，2015(3):37-41.

format：HAN Yi-fei.Numerical Simulation Study on Cryogenic Storage and Stratification of Liquefied Natural Gas[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):37-41.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.008

TB658

A

1674-8425(2015)03-0037-05