基于ANSYS的LNG儲罐穩態蒸發率仿真實驗

管 官, 林 焰,2, 楊 蕖, 周 帥

(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儲罐穩態蒸發率仿真實驗

管 官1, 林 焰1,2, 楊 蕖1, 周 帥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)

將LNG儲罐穩態蒸發率研究內容引入實驗教學,開發了基于ANSYS的LNG儲罐穩態蒸發率仿真實驗。利用ANSYS進行仿真實驗,可獲得LNG儲罐穩態溫度場分布以及不同環境溫度、不同保溫層厚度、不同保溫層導熱系數下的穩態漏熱量及蒸發率,便于學生理解LNG蒸發規律。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能力,培養學生運用實驗手段解決科研問題的能力。

LNG儲罐； 穩態蒸發率； 仿真實驗； ANSYS

科研帶動教學是研究型大學教學改革的重要內容之一,具有教學方法和教學內容上的創新性[1-2]。在教學改革中,將科研課題融入實驗教學,使學生接觸到工程實踐,有助于提升學生的學習積極性、培養學生的科學素養、提高學生的工程能力和創新能力[3]。

液化天然氣(liquefied natural gas,LNG)是一種易燃、易爆的危險化學品。隨著LNG船舶數量的增加,LNG運輸安全問題備受關注。為保證船舶LNG儲罐的安全使用,其絕熱性至關重要,而蒸發率是評價LNG儲罐絕熱性的重要指標。因此,關于LNG蒸發率的研究,無論對于工程應用，還是科研、教學,都具有重要的意義[4-5]。

為培養學生的科研能力與創新能力,將LNG儲罐穩態蒸發率研究的內容引入實驗教學,設計了基于ANSYS的LNG儲罐穩態蒸發率仿真實驗,為學生創建了一個接觸科研前沿、應用專業知識的平臺。該科研與實踐相結合的實驗教學模式提高了教學質量,有利于培養學生的工程能力和創新能力[3,6-8]。

1 實驗模型

基于ANSYS的LNG儲罐穩態蒸發率仿真實驗對象，是大連理工大學船舶制造國家工程中心研制的1.5 m3獨立C型LNG儲罐及保溫層(已授權發明專利)[9-10],對其穩態蒸發進行仿真。表1為1.5 m3LNG儲罐的結構參數；圖1為該儲罐的有限元模型,使用ANSYS軟件建模,網格尺寸為50 mm。

圖1 1.5 m3LNG儲罐有限元模型

2 溫度場分析

采用三維模型進行溫度場分析。由于該模型的對稱性,故使用1/8模型計算其溫度場。保溫層溫度場有限元模型如圖2所示。液態LNG的溫度取-163 ℃,環境溫度取最高溫度45 ℃,邊界條件為外壁與空氣產生熱對流、內壁與儲罐內LNG產生熱對流,保溫層的熱傳導系數為0.023、硬木的熱傳導系數為0.18。熱分析單元采用Solid90,即20節點六面體單元。

圖2 溫度場有限元模型

使用APDL語言編寫用于ANSYS中的溫度場分析計算程序,利用ANSYS中的傳熱學計算原理進行分析,得到的溫度場如圖3所示。

圖3 LNG儲罐溫度場

可見,從LNG儲罐的保溫層的外壁到內壁溫度場的數值從2℃到-163℃發生變化。

穩態蒸發的計算,需假設蒸發的情況不隨時間變化而發生改變,利用經驗公式[11]可獲得穩態蒸發率:

(1)

其中heat為漏熱量,單位為kJ；BOR為日蒸發率；dens為LNG的密度,取500kg/m3；lamta為蒸發潛熱,取511 kJ/kg；V為LNG的體積,取1.5 m3。

由ANSYS計算出:在穩態情況下,模型因為熱傳導及熱對流所產生的總漏熱量為136.43 kJ,進而可以求得日蒸發率為3.076%。

由于LNG儲罐的材質不同,熱傳導系數也不同,因而儲罐各個部位的漏熱量不同。在建模中建立了保溫層和硬木兩種材質,圖4為不同材料、不同位置的漏熱量。

圖4 LNG儲罐不同位置的漏熱量

可見,由于硬木導熱系數較大,所以在硬木處的漏熱量也會相應的增大。由于其導熱系數差了一個數量級,所以產生的漏熱量也差了一個數量級,從中可以看出漏熱量隨導熱系數增大而增大。

3 實驗結果與分析

3.1 環境溫度影響

對1.5 m3LNG儲罐在不同環境溫度下的蒸發進行仿真,得到保溫層厚度為0.3 m、保溫層導熱系數為0.023時不同環境溫度的漏熱量及蒸發率(見表2),其中環境溫度15℃時的溫度場云圖如圖5所示。

表2 保溫層厚度0.3 m、導熱系數為0.023時不同環境

圖5 15℃溫度場云圖

可見,隨著環境溫度的升高,漏熱量增加,LNG儲罐的蒸發率升高,蒸發率隨環境溫度的升高呈線性增加。這是由于環境溫度的增加會使LNG儲罐保溫層兩側的溫差變大,因此單位時間內漏熱量會增多。LNG蒸發得越快,儲罐內部壓力就越大,LNG安全儲存時間也越短。

3.2 保溫層厚度影響

對不同保溫層厚度的1.5 m3LNG儲罐進行LNG蒸發率仿真。設環境溫度為5℃,保溫層導熱系數為0.023,漏熱量及蒸發率如表3所示,其中保溫層厚度為0.3 m時溫度場云圖如圖6所示。

表3 環境溫度5 ℃、保溫層導熱系數為0.023時不同保溫

圖6 0.3m保溫層厚度溫度場云圖

可見,隨著絕緣層厚度的增加,漏熱量會變少,儲罐中LNG的蒸發率也會逐漸降低。所以在設計LNG儲罐時,在合理的范圍內盡量增加絕緣層的厚度,這樣能有效減少LNG的蒸發。

3.3 保溫層導熱系數影響

對1.5m3LNG儲罐在不同保溫層導熱系數下LNG的蒸發進行仿真,得到環境溫度為5℃,保溫層厚度為0.3 m時，不同保溫層導熱系數下的漏熱量及蒸發率(如表4所示),其中保溫層導熱系數0.023時的溫度場云圖如圖7所示。

表4 環境溫度5℃、保溫層厚度0.3 m時不同保溫層導熱

圖7 保溫層導熱系數為0.023時溫度場云圖

可見,隨著保溫層導熱系數以倍數增加,漏熱量和蒸發率幾乎也以倍數增加。這是由于保溫層導熱系數的增大,就會使LNG儲罐導入的熱量增大,就會使蒸發變快、壓力增加,減少LNG安全儲存的時間。所以在設計LNG儲罐時盡量選擇導熱系數小的材料作為隔熱層。

4 結語

通過LNG儲罐穩態蒸發率仿真實驗可知:隨著環境溫度的增大,LNG的蒸發率變大；隨著保溫層厚度的增大,LNG的蒸發率變小；隨著保溫層導熱系數的增大,LNG的蒸發率變大。該仿真實驗可以給學生創建一個接觸科研、提高實驗技能的平臺。在該項實驗中,學生可以學習ANSYS的建模、仿真計算、利用仿真軟件解決實際科研問題的方法。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)

[1] 許邁進,楊行昌.教學與科研并重:研究型大學和諧發展戰略的重要選擇[J].中國高教研究,2007,27(4):49-51.

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[3] 吳再生,吳有訓.大學教育思想及其在清華的實踐:以高水平科學研究支撐的高質量大學教育[J].清華大學教育研究,2013,33(3):112-118.

[4] 邵小耿.1.5m3獨立C型LNG儲罐的蒸發率研究[D].大連:大連理工大學,2015.

[5] Dimopoulos C A F. A Dynamic Model for Liquefied Natural Gas Evaporation During Marine Transportation[J].Interna-tional Journal of Thermodynamics,2008,11(3):123-131.

[6] 周立亞,龔福忠,蘭宇衛,等.構建研究型實驗教學法培養學生創新能力[J].實驗室研究與探索,2011,30(5):127-129.

[7] 馮根生,馮婷,杜春榮.基于學科特點的研究型實驗教學模式建設[J].實驗技術與管理,2012,29(3):239-241.

[8] 馮毅萍,張光新,榮岡.基于知識系統化重構的研究型實驗教學[J].實驗技術與管理,2012,29(10):154-156,168.

[9] 陳明,于雁云,李楷,等.一種獨立LNG實驗罐裝置:中國,ZL201410290979.0[P].2015-11-18.

[10] 于雁云,林焰,陳明,等.一種LNG船用可調式保溫層裝置:中國,ZL201410155156.7[P].2016-03-02.

[11] 劉文華,陸晟.中小型LNG船C型獨立液貨艙蒸發率計算[J].船舶設計通訊,2012,30(1):25-28.

Simulation experiment of steady-state evaporation rate of LNG storage tank based on ANSYS

Guan Guan1, Lin Yan1,2, Yang Qu1, Zhou Shuai1

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

The research of steady-state evaporation rate of LNG storage tank is introduced in experimental teaching, and the study on simulation experiment of steady-state evaporation rate of LNG storage tank based on ANSYS is carried out. The simulation experiment with ANSYS can obtain the steady-state temperature distribution of LNG storage tank, and the steady-state heat loss and evaporation rate with different ambient temperatures, different insulation thickness, and different heat conduction coefficient of insulation layer, which can promote students’ understanding of evaporation law of LNG. The teaching effect can be improved by the teaching experiment combined with teaching and scientific research. It is beneficial to improving students’ ability of simulation and cultivating their ability to solve scientific research problems by experiments.

LNG storage tank; steady-state evaporation rate; simulation experiment; ANSYS

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.029

2016-08-27

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?；究蒲袠I務費專項(DUT16RC(4)26)資金資助

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

U677.2；G642.423

A

1002-4956(2017)1-0129-03