基于ANSYS的LNG儲罐管路漏熱影響仿真實驗

管 官， 林 焰，2， 楊 蕖， 顧文文

(1. 大連理工大學 船舶CAD工程中心， 遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學 工程裝備結構分析國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

基于ANSYS的LNG儲罐管路漏熱影響仿真實驗

管 官1， 林 焰1，2， 楊 蕖1， 顧文文1

(1. 大連理工大學 船舶CAD工程中心， 遼寧 大連 116024；2. 大連理工大學 工程裝備結構分析國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024)

為更好地培養學生的科研與創新能力，將LNG儲罐管路漏熱影響的研究內容引入實驗教學當中。利用ANSYS進行仿真實驗，分別對管路的直徑、壁厚和長度對儲罐漏熱的影響以及相同管路下不同保溫層導熱系數的漏熱規律進行研究，獲得漏熱影響規律，便于學生理解。通過該教學和科研相結合的仿真實驗，提高了教學效果，有利于提高學生的仿真實驗能力和培養學生運用實驗手段解決科研問題的能力。

LNG儲罐； 管路漏熱； 仿真實驗； ANSYS

科學研究是高質量教學的有力保證，科研驅動教學是研究型大學教學模式改革的重要內容之一[1-2]。將專業前沿的科研課題融入教學環節，使學生有機會接觸工程實踐，有助于提高學生的學習積極性，培養學生的科學素養和實踐創新能力[3]。

在液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)船型設計和船舶建造中，LNG儲罐的安全一直是一個異常重要的問題。由于LNG具有易燃易爆的特性，為保證其在運輸和存儲過程中的安全，LNG儲罐的絕熱性就顯得至關重要。目前國內外對LNG儲罐漏熱的研究很多，但對管路漏熱影響的研究甚少。由于忽略了儲罐管路漏熱的影響，導致儲罐漏熱量的計算值與實際值有一定偏差。因此，為保證LNG船舶儲罐的安全使用，對LNG儲罐管路漏熱影響進行研究，無論是從工程應用還是科研、教學來講，都具有重要的意義[4-5]。

筆者設計了“基于ANSYS的LNG儲罐管路漏熱影響仿真實驗”，給學生創建了一個參與科研、應用專業知識的平臺，激發學生的科學探索熱情，促進學生對漏熱影響規律的理解，增強學生的仿真實踐能力。這種科研與實踐相結合的教學模式對提高教學質量、培養學生的科學思維方式和運用實驗手段解決科研問題的能力大有裨益[3,6-7]。

1 實驗儲罐漏熱仿真

基于ANSYS的LNG儲罐管路漏熱影響仿真實驗對象為LNG動力船30 m3雙層真空粉末絕熱LNG儲罐，罐體結構有內、外2層，中間填充絕熱材料，其外觀如圖1所示，罐體參數如表1所示。

圖1 30 m3船用真空LNG儲罐外形

mm

相關材料基本參數為：

罐體材料導熱系數：15 W/(m·K)；

保溫材料：抽真空膨脹珍珠巖；

保溫材料導熱系數：0.025 W/(m·K)；

保溫材料的平均厚度：300 mm；

LNG在-163℃時的密度(p)：418.6 kg/m3；

LNG氣化潛熱：511 kJ/kg；

設計充裝率：90%；

LNG在-163℃時導熱系數[8]：0.21W/(m·K)。

由于模型包括復雜的管路和設備，為了計算簡便，對模型進行簡化并假設：

(1) 外界環境溫度保持恒定不變；

(2) 儲罐內LNG為靜態，任何時刻氣液相都處于飽和狀態；

(3) 單位時間內進入儲罐內部的熱量為定值；

(4) 熱量傳遞是沿著保溫層厚度方向傳遞，不考慮圓周向熱量傳遞；

(5) 進入儲罐系統的熱量全部轉化為罐內液體蒸

發吸收的能量，即汽化的潛熱。

由于儲罐是軸對稱結構，故建立1/8儲罐模型進行仿真，幾何模型如圖2(a)所示。

選用Solid70熱分析單元進行仿真[9]，網格劃分采用六面體自由網格劃分方式，網格精度采用1/6的保溫層厚度，共76734個網格，如圖2(b)所示。

圖2 幾何模型和網格劃分

假定內壁溫度為LNG溫度，對內壁施加-163℃的溫度約束，對儲罐外壁施加45℃溫度載荷和12.5 W/(m2·K)的對流空氣載荷，忽略熱輻射的熱量。載荷施加如圖3(a)所示，溫度場仿真結果如圖3(b)所示。

圖3 溫度載荷和溫度場

2 保溫層內管路對漏熱影響分析

相對于絕熱層來說，儲罐內外筒的絕熱性能可以忽略[10]，但是保溫層內部的管路打破了原來穩定、均勻分布的絕熱層溫度場，管路對熱傳導的影響較大。為簡化計算，假定管內流體處于靜止狀態，熱量在流體內僅以熱傳導的方式傳遞，不考慮因流動產生的熱量傳遞。在船舶航行中，由于儲罐的出液管一直處于打開狀態，故選取出液管進行仿真實驗。管路參數如下：

材料：9%鎳鋼；

導熱系數：15 W/(m·K)；

管子外徑：57 mm；

厚度：5 mm。

根據三維模型仿真漏熱情況[11]建立的模型為保溫層+管路+管路內流體的形式，外界環境45℃,選用四面體自由網格劃分方式，模型如圖4所示，仿真出的溫度場如圖5所示。

圖4 幾何模型圖

在外界環境為45℃情況下得出保溫層最高溫度為44.5℃，即罐體外壁溫度;管內流體最高溫度為28.7 ℃;管壁最高溫度為15.15℃。溫度梯度在沿管壁的軸向降低得最慢，其次是管內流體的軸向，管壁和管內流體與周邊保溫層相比出現明顯的溫度梯度，這是管壁、流體、保溫層的導熱系數依次降低的緣故。

為進一步分析與漏熱量的關系，取10～45℃區間、間隔5 ℃的外界環境溫度進行仿真，得出漏熱量隨環境溫度的關系如圖6所示。

圖5 仿真溫度場等值線圖

圖6 漏熱量隨溫度變化曲線圖

圖6中,Heat0表示僅保溫層漏熱量，heat1表示保溫層加出液管后的漏熱量。可見，增加出液管后，對儲罐漏熱量的相對影響使原有漏熱量增加1.22%左右。

3 管路漏熱影響規律分析

3.1 管徑對漏熱的影響

對原有管路的直徑分別增加和減少10%、20%、30%、40%進行仿真實驗，并采用“總表面積/管路橫截面積”參數，以反映管徑對不同容量的儲罐漏熱的影響。環境溫度取45 ℃，按照上述計算方法得出不同管徑下的漏熱量，如表2所示。

表2 不同出液管直徑下的漏熱量

可見，隨著“總表面積/管路橫截面積”比值增大，漏熱量逐漸降低，即隨著管徑減小，管路對漏熱的影響逐漸減小，并且漏熱量與“總表面積/管路橫截面積”呈現反比關系。

3.2 壁厚對漏熱的影響

由于管壁厚度基數小，壁厚的增加量相對儲罐表面積幾乎可以忽略。為了能直觀地反映壁厚對漏熱的影響，采用“總表面積/管壁橫截面積”的參數。保持管路內徑不變，環境溫度為45℃，厚度每次增加和減小0.5 mm分別仿真,結果如表3所示。

表3 出液管不同壁厚對漏熱的影響

可見，隨著“總表面積/管壁橫截面積”增大，漏熱量逐漸減少，即隨著壁厚的減少，管路對漏熱的影響逐漸減小，并且漏熱量與“總表面積/管壁橫截面積”呈現反比關系。

3.3 管長對漏熱的影響

為了分析管長對漏熱的影響，以同樣直徑和壁厚建立4個不同管長模型，仿真溫度場云圖如圖7所示。不同管長的儲罐漏熱量仿真結果如表4所示。

圖7 不同管長溫度場云圖

編號管長/mm漏熱量/W相對增大量/%13001089.7202.13210001080.7761.29317001080.0081.22424001080.9841.31

可見，管長最短時漏熱量明顯增大，管長增大，漏熱量明顯減小，管長繼續增大又使漏熱量緩慢增大，因此管長對漏熱的影響存在一個臨界最小點，儲罐的漏熱量首先隨著管長增大而逐漸減小，當管長增大、漏熱達到的臨界最小點之后，漏熱量不再減小。這是由于管路越短，其自身熱阻越小，熱量由外界沿管路很快傳

遞到罐內，隨著管路達到臨界值后繼續加長，熱量逐漸被絕熱層吸收，管長對漏熱的影響無明顯變化。由于管路的存在而減少了部分絕熱層，熱量沿管路徑向傳遞的影響大于熱量沿管路軸向方向傳遞的影響。

3.4 保溫層導熱系數對漏熱的影響

設環境溫度45 ℃，分別取不同保溫層導熱系數進行仿真，得出漏熱增大量與保溫層導熱系數關系曲線如圖8所示。

圖8 漏熱增大量與保溫層導熱系數關系曲線

可見，即使同一個儲罐，采用不同的保溫材料，管路對整個儲罐漏熱的影響也并不相同。同一條管路對漏熱量的影響與保溫層的導熱性能呈反比關系：導熱系數越小，管路對整個儲罐漏熱量的影響表現越大，反之影響越小。

4 結論

通過LNG儲罐管路漏熱影響仿真實驗，獲得了不同直徑、不同壁厚和不同長度的管路對儲罐漏熱的影響規律以及相同管路下不同保溫層導熱系數對儲罐漏熱的影響規律：管徑和壁厚的增大會增加儲罐漏熱；管長對漏熱的影響存在一個臨界最小點，即當管長無論大于還是小于臨界管長，管路都會導致整個儲罐的漏熱量增大；同樣的管路，保溫層導熱系數越大，管路對漏熱的影響越小。

通過該仿真實驗，學生可以學習ANSYS的建模、仿真計算等方法，利用仿真軟件解決實際科研問題。這種科研與實踐相結合的教學模式能有效提高教學質量，培養學生運用實驗手段解決科研問題的能力。

References)

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Simulation experiment on pipeline heat leakage influence of LNG storage tank based on ANSYS

Guan Guan1, Lin Yan1,2, Yang Qu1, Gu Wenwen1

(1. Ship CAD Engineering Center, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. State Key Laboratory of Structural Analysis for Engineering Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

In order to better train the students’ scientific research and innovation ability, the research content of the pipeline heat leakage influence of the LNG (liquefied natural gas) storage tank is introduced into the experimental teaching. By using the ANSYS (analysis system), the simulation experiment is carried out. The influence of the pipeline diameter, the wall thickness and the length on the heat leakage of the storage tank, and the heat leakage law of thermal conductivity with the different insulation layers in the same pipeline are studied respectively. The influence law of heat leakage is obtained, and it is easy for the students to understand. Through the simulation experiment with the combination of the teaching and scientific research, the teaching effect is improved, which is helpful to enhance the students’ ability for the simulation experiment and cultivate the students’ ability to solve the problems of scientific research by means of the experiment.

LNG storage tank; pipeline heat leakage; simulation experiment; ANSYS

U677.2；G642.423

A

1002-4956(2017)10-0112-05

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.028

2017-04-26

國家自然科學基金項目(51609036)資助；中國博士后科學基金資助項目(2014M561234、2015T80256)；遼寧省博士啟動基金項目(201501176)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DUT16RC(4)26)

管官(1983—)，男(滿族)，遼寧丹東，博士，講師，主要從事船舶與海洋工程專業相關教學與科研工作.

E-mail：guanguan@dlut.edu.cn