液氮儲罐海上搖擺工況動態仿真

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

傾斜搖擺的海上環境不同于相對靜止的陸上環境，液氮在儲罐內的氣液兩相自由液面搖晃行為對液氮儲罐的影響需要重點關注。目前對海上液化系統研究的集中在對液化天然氣制取工藝流程及部件的分析方面。已有的研究集中在分析晃動對各種天然氣液化流程的影響[1-2]；建立丙烷預冷雙氮膨脹中試實驗裝置，將實驗結果與動態仿真結果對比，驗證其建立的動態仿真模型的準確性[3]；對氣液分離器、再沸器及三相分離器等易受海上搖晃環境影響的重要部件進行數值模擬研究[4-6]；通過縱蕩和橫搖試驗驗證所建立的小型天然氣液化裝置的抗晃能力[7]；針對液態儲罐部件的研究方面，采用VOF方法對LNG儲罐中液體晃蕩進行數值模擬，分析充裝率、防波板等因素對晃蕩過程的影響[8]；針對LNG在儲運過程中的漏熱蒸發問題在實驗的基礎上提出基于LNG多組分特性和非穩態溫度場理論的算法[9]。以上都是針對LNG的流程及儲罐的海上適應性研究，對液氮儲罐海上適應性的研究目前未見報道。為此，考慮利用計算流體力學手段對液氮儲罐在傾斜搖擺的海上環境下的自由液面行為進行仿真計算和分析，考察搖擺角度、搖擺周期、液氮儲量、擋板布置和安裝方向等條件的影響，為海上液氮儲罐的工程設計提供參考。

1 計算模型

1.1 物理模型

選擇儲罐為應用最為廣泛的的臥式圓柱形儲罐，兩端采用圓形封頭，該形式可以承受較高壓力和沖擊力。儲罐外徑為1.4 m，圓柱體部分長度為3 m，兩端封頭深度為0.375 m。該模型總體積為5.4 m3。

1.2 網格劃分

采用FLOW-3D軟件對液氮儲罐的搖晃狀態進行網格劃分及仿真計算。為保證液氮儲罐海上搖擺工況動態仿真結果可靠，通過多次試算結果進行網格無關性驗證。計算結果顯示當網格數達到100 000時，差值小于0.8%，因此計算的網格數確定為100 000。液氮儲罐模型網格劃分見圖1。

圖1 液氮儲罐模型網格劃分

1.3 計算設置

1.3.1 控制方程

湍流模型采用RNGk-ε模型。采用VOF方法刻畫自由液面的波動情形。VOF法的基本思想是不追蹤自由界面上的質點，而是通過研究流體體積函數F來確定自由界面。在一個網格單元中，如果被流體完全充滿則F=1，部分充滿則F介于0和1之間，如沒有流體則F=0。

1.3.2 初始條件與邊界條件

不考慮儲罐漏熱的影響，即儲罐采用絕熱邊界條件。氣相和液相初始溫度為77.35 K，初始壓力為101 kPa。

時間間隔是影響計算的很重要的因素， 時間間隔過短會使計算時間大幅增加； 間隔過長則會使結果的顯示不連貫。因此需要根據計算模擬情況對輸出時間間隔進行調整，使得輸出結果達到最連貫的效果，設定模擬時間間隔為0.1 s。

1.3.3 仿真工況設置

為考察液氮儲罐在搖擺角度、搖擺周期、液面高度、儲罐布置方向、擋板設置的不同工況下儲罐的自由液面行為規律，定義儲罐長度方向為X方向，寬度方向為Y方向，高度方向為Z方向。船體的搖擺按3自由度簡諧振動處理，包括橫搖、縱搖和垂蕩，在非慣性坐標系中分別設定X、Y、Z方向的運動方程。

θ=Asin(ωt)

(1)

式中：θ為搖擺角位移，rad；A為搖擺振幅，rad；ω為搖擺頻率,Hz。

2 計算結果

2.1 搖擺角度

不同搖擺角度(5°，15°，45°，搖擺周期10 s，液位70%)，液氮儲罐內部搖晃情況見圖2，從圖2中可以看出隨著搖晃幅度的增加，液氮能夠完全充滿封頭，對液氮儲罐的沖擊增加，這種狀況對液氮儲罐的接管位置提出了一定要求。

圖2 不同搖擺角度下液氮儲罐液面狀態

計算不同搖擺角度狀態下的平均液體動能發現隨著晃蕩幅度的增加，液面波動越來越劇烈。當搖擺角度超過15°，液氮能夠完全充滿封頭，而且液氮的平均動能達到0.1 kJ/kg以上，對液氮儲罐的沖擊增加，沖擊壓力達到15 kPa。因此在液氮儲罐設計過程中，需要考慮液氮沖擊對液氮進出管道和其他工藝接管的影響，在強度計算中需要考慮沖擊力。當艦船搖擺角度達到45°時，液氮的動能急劇增加，此時應該緊急排放液氮，保證液氮儲罐系統安全。

2.2 搖擺周期

不同搖擺周期下(1 s，5 s，10 s，搖擺角度5°，液位70%)，液氮儲罐內部搖晃情況見圖3。搖擺周期為1 s時液氮波形的變化劇烈，在橫蕩運動過程中,容器內的液體受到容器豎直壁的作用發生晃蕩,出現的波形主要為行波和水躍波。搖擺周期在5 s以上時，液氮波動越來越平穩。晃蕩幅度的增大會引起最大波高的增大，在充滿度較高時，由于液艙的高度一定，液體已經接觸到了艙頂，液體的升高高度取決于液艙頂端的空余高度。因此在裝載液體時，需要考慮液體在液艙的晃蕩程度，盡量選擇合適的充滿度。

2.3 液氮液位

不同液氮液位下(10%、50%、90%，搖擺角度5°，搖擺周期10 s)，液氮儲罐內部搖晃情況見圖4。

圖4 不同液氮液位下液氮儲罐液面狀態

在低充滿度的情況下，波形出現了明顯的行波和水躍，并且波形在運動過程中，較大的動壓主要發生在液面處；在高充滿度的情況下，則出現的波形是駐波，液面變化比較平緩，較大的沖擊主要發生在液艙平面的結合處,對其結構造成了很大的破壞。這主要是因為在低液位時，橫搖周期與共振周期相近，發生了水躍。水躍對液艙壁沖擊非常大，其水頭具有很高的動能，在沖擊艙壁的一瞬間還會夾帶一定的氣體,可能給液艙結構造成沖擊。在高充滿度下，出現的駐波則主要對液艙頂部造成沖擊。

2.4 擋板設置

為了緩解容器中液體的晃蕩問題，目前較常用的措施是在容器內部加設一定的擋板內件。對所選尺寸的液體容器，擋板數量一般設置1至2個。設置1個擋板時擋板位于液氮儲罐長度方向中心位置，設置2個擋板時擋板位于液氮儲罐長度約1/3及2/3處。不同擋板數量(1或2個，搖擺角度5°，搖擺周期10 s，擋板高度為70%)，液氮儲罐內液氮速度矢量見圖5。

圖5 不同擋板數量下液氮速度矢量

可以看出在波形變化方面，加設擋板明顯降低了波形的起伏高度，但是擋板的設置在一定程度上增加了液體新的沖擊位置，導致氣體轉成液體。從能量角度分析，擋板的作用機理主要是消耗了一定的液體能量，使得液體能量得到降低，從而晃蕩減小。

2.5 安裝方向

液氮儲罐寬1 900 mm，長5 000 mm，二者相差比較大，需要了解液氮儲罐在不同方向上搖晃特性，盡量減少搖擺對液氮儲存的影響。為便于描述，液氮儲罐的長度方向定義為橫向搖擺，寬度方向定義為縱向搖擺。液氮儲罐在橫向及縱向搖擺時(搖擺周期1 s，搖擺角度5°，液面70%)液面狀態見圖6，液體平均動能變化見圖7。

圖6 搖擺方向下液氮儲罐液面狀態

圖7 液氮儲罐在橫向及縱向搖擺下液體平均動能變化

比較發現，儲罐橫向搖擺的液體平均動能比縱向搖擺高約20%，因此液氮儲罐在海上應盡量避免在其長度方向進行劇烈搖擺。

3 結論

1)液面波動隨晃蕩幅度增加而變劇烈，故在液氮儲罐設計過程中需要考慮液氮沖擊對液氮進出管道和其他工藝接管的影響，在強度計算中需要考慮沖擊力。

2)相對于搖擺角度，搖擺周期對液氮儲罐的影響更大。搖擺周期為1 s時，液氮震蕩出現破碎泡沫。當搖擺周期大于5 s時，液氮表面非常平穩，波動較弱。大型船舶搖擺周期一般大于10 s，可以使液氮在一般情況下處于安全波動狀況。

3)液氮儲存量較低時，液氮表面出現了明顯的行波和水躍,會對儲罐封頭形成一定沖擊，單位液體平均動能較高，當液氮液位超過50%時，液面變化比較平緩，液氮能量可以忽略不計。因此從安全角度考慮，建議液氮儲罐在長期使用過程中液位保持在50%以上。

4)擋板可以消耗一定的液體能量,使得液體能量得到降低,從而抑制晃蕩。在波形變化方面,加設擋板明顯降低了波形的起伏高度。

5)儲罐橫向搖擺的液體平均動能比縱向搖擺高約20%，因此建議液氮儲罐的安裝方向(長度方向)盡量與船舶長度方向保持一致，以盡量減少海上搖晃引起的液體動能增加。