基于FLUENT的LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率仿真實驗

管 官， 林 焰，b， 楊 蕖， 周 帥

(大連理工大學(xué) a.船舶CAD工程中心； b.工程裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

·專題研討——虛擬仿真實驗(49)·

基于FLUENT的LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率仿真實驗

管 官a， 林 焰a，b， 楊 蕖a， 周 帥a

(大連理工大學(xué) a.船舶CAD工程中心； b.工程裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024)

為使學(xué)生接觸專業(yè)科研前沿，更好地培養(yǎng)其科研與創(chuàng)新能力，將LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率研究內(nèi)容引入到實驗教學(xué)當中，開展了基于FLUENT的LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率仿真實驗研究。利用FLUENT進行仿真實驗，可直觀呈現(xiàn)LNG儲罐在不同充滿率、不同環(huán)境溫度、不同內(nèi)徑尺寸下LNG蒸發(fā)率的變化規(guī)律，便于學(xué)生理解LNG蒸發(fā)規(guī)律。通過該教學(xué)和科研相結(jié)合的仿真實驗，提高了實驗教學(xué)效果，有利于提高學(xué)生的仿真能力，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索精神，培養(yǎng)學(xué)生運用實驗手段解決科研問題的能力。

液化天然氣儲罐； 瞬態(tài)蒸發(fā)率； 仿真實驗； FLUENT

0 引 言

科研驅(qū)動教學(xué)模式是研究型大學(xué)教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一[1]，具有教學(xué)方法和教學(xué)內(nèi)容上的創(chuàng)新性。科學(xué)研究是高質(zhì)量教學(xué)的有力保證[2]。在教學(xué)改革中，將專業(yè)前沿的科研課題融入到教學(xué)環(huán)節(jié)，使學(xué)生有機會接觸到實際的工程實踐，有助于提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和實際工程能力以至有所創(chuàng)新[3]。

隨著液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)船型的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，LNG的安全存儲已經(jīng)成為LNG船能否安全使用一個關(guān)鍵問題。由于LNG易燃易爆的特性，必須保證其不能泄漏，LNG儲罐的絕熱性就顯得至關(guān)重要，而蒸發(fā)率是評價絕熱性的重要指標，因此，為保證船舶LNG儲罐的安全使用，對LNG蒸發(fā)率進行研究，無論是從工程應(yīng)用還是科研教學(xué)來講，都具有著重要的意義[4-7]。

為了加強培養(yǎng)學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新能力，本文將LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率研究內(nèi)容引入到教學(xué)實驗中，設(shè)計了“基于FLUENT的LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率仿真實驗”，給學(xué)生創(chuàng)建一個接觸科研前沿、應(yīng)用專業(yè)知識的平臺，創(chuàng)建科學(xué)研究的情境，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索熱情。FLUENT作為當今計算仿真技術(shù)中最有效、最實用的工具之一，為仿真實驗教學(xué)提供了工具[8]。將FLUENT仿真融入LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率實驗教學(xué)中，不僅可以促進學(xué)生對蒸發(fā)規(guī)律的理解，還能增強學(xué)生的仿真實踐能力。這種科研與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高教學(xué)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生從中學(xué)到新的思維方式和運用實驗手段解決科研問題的能力[9-11]。

1 實驗計算模型

1.1計算模型分析

本實驗針對大連理工大學(xué)船舶制造國家工程中心研制的1.5 m3獨立C型LNG儲罐(已授權(quán)發(fā)明專利)[12]，對其瞬態(tài)蒸發(fā)過程采用均相表面蒸發(fā)率模型進行仿真，將環(huán)境漏熱量均用于LNG蒸發(fā)，初始假定罐內(nèi)所有介質(zhì)溫度都相等，環(huán)境漏熱量作為LNG蒸發(fā)唯一熱源，計算采用MIXture模型[13]，因此，整個儲罐內(nèi)的溫度場分為氣相，液態(tài)相以及氣液混合相。此外，由于C型罐外形簡單，為圓柱形且邊界條件軸對稱，在求解C型罐內(nèi)LNG自然蒸發(fā)率問題時，可以把求解區(qū)域看做C—H—C型區(qū)域，考慮減少計算量，本實驗將LNG自然蒸發(fā)作為一個二維的熱傳導(dǎo)問題，計算模型如圖1所示，由于C型罐實物尺寸不大，采用實際尺度計算仿真。

圖1 獨立C型LNG儲罐

1.2模型建模及網(wǎng)格

采用FLUENT前處理軟件Gambit建模及網(wǎng)格劃分，由于LNG儲罐模型形狀相對規(guī)則，故采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分策略，并定義相應(yīng)邊界條件類型以及網(wǎng)格流域，此外，為了確保計算精確，在漏熱區(qū)網(wǎng)格進行加密。網(wǎng)格劃分圖如圖2所示，網(wǎng)格數(shù)約為3萬個。

(a) 0.2充滿率

(b) 0.5充滿率

本仿真實驗探討影響LNG蒸發(fā)率各種因素，包括LNG儲罐充滿率、LNG儲罐外部環(huán)境溫度及LNG儲罐內(nèi)徑。為能清楚反應(yīng)各影響因子對儲罐內(nèi)LNG蒸發(fā)率的影響，本實驗采用單參數(shù)變化影響因子，考慮充滿率變化0.1～0.9，間隔0.1；內(nèi)徑0.5～2.5 m，間隔0.5 m；環(huán)境漏熱溫度118～122 K，間隔1 K。

1.3模型邊界條件設(shè)置

本實驗計算LNG瞬態(tài)蒸發(fā)率，求解時均連續(xù)性方程、動量方程、時均湍流方程以及能量方程，采用基于壓力求解器以及SIMPLE格式，多相流模型使用Mixture模型，并結(jié)合標準兩方程湍流方程k-ε計算湍流場。此外在計算LNG蒸發(fā)率時考慮相應(yīng)的模型簡化，即認為液態(tài)LNG為均質(zhì)不可壓縮流體，并忽略流體粘性耗散，且不考慮LNG蒸發(fā)時物性參數(shù)變化。本實驗結(jié)合均相表面蒸發(fā)模型，模型邊界均設(shè)置為無滑移壁面邊界條件，初始計算C型罐內(nèi)氣液兩相溫度均為109.15 K，漏熱區(qū)壁面溫度高于飽和溫度111.15 K。LNG蒸發(fā)過程是由液態(tài)相達到飽和溫度時，向氣態(tài)進行轉(zhuǎn)換，存在相變過程，本實驗基于C語言，編寫相變UDF函數(shù)，通過FLUENT中的UDF模塊，將相變函數(shù)加載到FLUENT求解源相，從而模擬LNG蒸發(fā)相變過程。

UDF函數(shù)主要分為四段分別為：C語言頭文件及定義相變條件；定義液相轉(zhuǎn)變條件及算法，即液相單元溫度若達到飽和溫度時，液相向氣相進行質(zhì)量轉(zhuǎn)移；定義氣相轉(zhuǎn)變算法，即定義氣液混合區(qū)單元溫度若達到飽和溫度時，液相向氣相進行質(zhì)量轉(zhuǎn)移；定義混合模型能量源相，即定義混合區(qū)單元溫度達到飽和溫度時，液態(tài)LNG相氣相轉(zhuǎn)換，并吸收熱量[14-15]。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1充滿率影響

對1.5 m3LNG儲罐在不同充滿率下的蒸發(fā)進行仿真，得到從0.1～0.9充滿率下蒸發(fā)量隨時間變化的曲線，漏熱溫度為120 K，內(nèi)徑為0.5 m，以0.5充滿率為例，圖3給出了0.5充滿率蒸發(fā)量變化曲線。

圖3 0.5充滿率蒸發(fā)量變化曲線

0.1～0.9充滿率下蒸發(fā)率計算結(jié)果為：39.7%,26.6%,19.9%,16.1%,13.1%,11.5%,9.5%,8.5%,4.4%。為了預(yù)測此LNG儲罐在不同充滿率下的蒸發(fā)率，得到多項式函數(shù)的擬合:

y=-1.606 9x3+2.966 7x2-1.940 1x+0.558

R2=0.997 4

繪制0.1～0.9不同充滿率下蒸發(fā)率的計算曲線，如圖4所示。

圖4 蒸發(fā)率隨充滿率變化曲線

為了更直觀地表達罐內(nèi)LNG液態(tài)與氣態(tài)的分布，給出罐內(nèi)氣液態(tài)分布云圖如圖5所示。可見，隨著充滿率的增大，LNG蒸發(fā)率會不斷變小，在0.9的充滿率下，LNG的日蒸發(fā)率為4.4%。環(huán)境進入的熱量一方面作用在蒸發(fā)一方面作用在為過冷的液相來提高內(nèi)能，當充滿率不斷增大的時候，需要為過冷的液相增加的內(nèi)能就會增多，用于蒸發(fā)的就會減少，所以其蒸發(fā)率會降低。

圖5 充滿率0.5時的蒸汽比例分布云圖

2.2環(huán)境溫度影響

對1.5 m3LNG儲罐在不同環(huán)境溫度下的蒸發(fā)進行仿真，設(shè)由外界環(huán)境溫度熱傳導(dǎo)形成的壁面溫度的不同來分析，其充滿率為0.9，環(huán)境溫度產(chǎn)生的壁面溫度分別取118，119，120，121，122 K 5種不同的情況進行分析。圖6所示為118 K蒸發(fā)量變化曲線。

圖6 118 K蒸發(fā)量變化曲線

不同的環(huán)境漏熱溫度下蒸發(fā)率的計算結(jié)果如表1所示。

表1 不同環(huán)境漏熱溫度下的蒸發(fā)率計算結(jié)果

可見，當環(huán)境溫度增加時，LNG蒸發(fā)率也在不斷增大。此結(jié)論是由于由外界進入其內(nèi)部的熱量是其內(nèi)部與外界溫度大小的差值與保溫層材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)成正比，是由這兩個已知量所構(gòu)成的函數(shù)。如果環(huán)境溫度不斷升高，保溫層內(nèi)外兩邊的溫度差距的數(shù)值也會增大，這樣會導(dǎo)致進入罐內(nèi)的熱量變多，使氣體的蒸發(fā)加快，也就提高了蒸發(fā)率。所以，冬天LNG蒸發(fā)的速率將低于夏天LNG蒸發(fā)的速率，所以在設(shè)計過程中，為了安全起見，應(yīng)當按照夏天的溫度標準來進行LNG儲罐的設(shè)計。

2.3儲罐內(nèi)徑尺寸影響

對1.5 m3LNG儲罐在不同儲罐內(nèi)徑下的蒸發(fā)進行仿真，在充滿率為0.5時，對內(nèi)徑為0.5,1.0,1.5，2.0，2.5 m 5種情況下不同的蒸發(fā)率進行計算。圖7給出了內(nèi)徑為1.5 m蒸發(fā)量變化曲線。

圖7 內(nèi)徑為1.5 m蒸發(fā)量變化曲線

5種不同的內(nèi)徑下蒸發(fā)率的計算結(jié)果如表2所示。可見，隨著內(nèi)徑的增大，LNG的蒸發(fā)率在不斷變大(用于小罐的計算)。這是由于隨著內(nèi)徑的增大，其對應(yīng)的傳熱面積不同，內(nèi)徑增大，傳熱面積會變大，繼而漏入的熱量會變多，蒸發(fā)就會變快，蒸發(fā)率也會升高。

表3 不同內(nèi)徑下的蒸發(fā)率計算結(jié)果

3 結(jié) 語

本文將LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率研究內(nèi)容引入到教學(xué)實驗中，設(shè)計了基于FLUENT的LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率仿真實驗，通過仿真實驗，獲得不同充滿率、不同環(huán)境溫度、不同內(nèi)徑尺寸下LNG蒸發(fā)率，通過對實驗結(jié)果分析，得出：隨著充滿率的增大，LNG的蒸發(fā)率在不斷變小；隨著環(huán)境溫度的增大，LNG的蒸發(fā)率在不斷變大；隨著內(nèi)徑尺寸的增大，LNG的蒸發(fā)率在不斷變大。

通過該仿真實驗，可以給學(xué)生創(chuàng)建一個接觸科研前沿、提高實驗技能的平臺，學(xué)生通過操作實驗過程、分析實驗結(jié)果和撰寫實驗報告，可以從中學(xué)習(xí)FLUENT的建模、網(wǎng)格劃分、仿真分析等方法，培養(yǎng)學(xué)生利用先進仿真軟件解決實際科研問題的能力。將FLUENT仿真融入LNG儲罐瞬態(tài)蒸發(fā)率實驗教學(xué)中，不僅可以促進學(xué)生對蒸發(fā)規(guī)律的理解，還能激發(fā)學(xué)生的科學(xué)探索熱情。這種科研與實踐相結(jié)合的教學(xué)模式能有效提高實驗教學(xué)的質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生運用實驗手段解決科研問題的能力。

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

[2] 張德高．科研教學(xué)結(jié)合為人才培養(yǎng)提供強力支撐[J]．中國高等教育，2013，33(17)：44-45, 54．

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

[4] 邵小耿. 1.5 m3獨立C型LNG儲罐的蒸發(fā)率研究[D].大連:大連理工大學(xué)，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] 張湘鳳，郭 雷，姚 云. LNG低溫儲罐冷量損失在設(shè)計中的計算方法[J]. 化工設(shè)計, 2012, 21(6): 40-42.

[7] 劉文華，陸 晟. 中小型LNG船C型獨立液貨艙蒸發(fā)率計算[J]. 船舶設(shè)計通訊, 2012, 25(1): 25-28.

[8] 林建忠. 流體力學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2013.

[9] 錢 潔,石嘉豪,費 儉．模擬科研情境開展研究型實驗教學(xué)[J]．實驗室研究與探索,2010，29(1)：132-134.

[10] 周立亞,龔福忠,蘭宇衛(wèi),等．構(gòu)建研究型實驗教學(xué)法培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J]．實驗室研究與探索,2011，30(5)：127-129.

[11] 馮根生,馮 婷,杜春榮．基于學(xué)科特點的研究型實驗教學(xué)模式建設(shè)[J]．實驗技術(shù)與管理, 2012，29(3)：239-241.

[12] 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.

[13] 趙斌娟，袁壽其，劉厚林，等. 基于Mixture多相流模型計算雙流道泵全流道內(nèi)固液兩相湍流[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報, 2008，23(1): 7-12.

[14] 肖時雄. 小型LNG船液罐儲運方案中的傳熱與升壓過程研究[D]. 上海：上海交通大學(xué), 2012.

[15] 陳 罕，周昆穎. 應(yīng)用有限單元法計算瞬時溫度場的基本原理[J]. 北京化工學(xué)院學(xué)報, 1987，21(2): 63-72.

StudyonSimulationExperimentofTransientEvaporationRateofLNGStorageTankBasedonFLUENT

GUANGuana,LINYana,b,YANGQua,ZHOUShuaia

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

In order to make students touch professional scientific frontier and better train their scientific research and innovation abilities, the research of transient evaporation rate of LNG storage tank is introduced into experimental teaching, the study on simulation experiment of transient evaporation rate of LNG storage tank based on FLUENT is carried out. The simulation experiment with FLUENT can present the changing rules of the evaporation rate of LNG under fill depth, temperature, variation of the inner diameter of LNG storage tank intuitively. The experiment can promote students’ understanding. The teaching effect can be improved by the teaching experiment combined the teaching with scientific research. It is beneficial to improve students’ ability of simulation, motivate students’ scientific curiosity and cultivate students’ ability to solve scientific research problems by experiment.

LNG storage tank; transient evaporation rate; simulation experiment; FLUENT

U 677.2；G 642.423

A

1006-7167(2017)09-0079-04

2016-12-01

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

管 官(1983-),男,滿族,遼寧丹東人，博士，講師，主要從事船舶與海洋工程專業(yè)相關(guān)教學(xué)與科研工作。Tel.:13610926011; E-mail： guanguan@dlut.edu.cn