基于fluent的LNG液罐蒸發參數預報方法

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(大連理工大學 船舶工程學院，遼寧 大連 116024)

LNG在儲運過程中，由于其低溫特性和保溫層隔熱性能的局限性，會產生漏熱而引起內部系統溫度升高、壓力增大，須開啟閥件釋放部分蒸氣，這不僅提高了營運成本，也帶來了安全隱患。以往對LNG儲運和蒸發問題的研究主要有以下幾方面進展：①對LNG液罐或液貨艙進行了靜態的溫度場分析，通過計算漏熱量間接預報蒸發參數[1-5]；②使用有限元、CFD等方法，在一定簡化的基礎上探究了影響LNG蒸發率的因素，分析壓力、裝載量對蒸發的影響[6-8]；③在靜態模擬的基礎上考慮晃蕩，實現LNG在運動狀態下的蒸發模擬，對LNG的分層、翻滾也以云圖的形式進行闡釋，預測復雜工況下LNG的蒸發狀態[9-10]。已有的研究在LNG工質特性、溫度場設定等方面進行了假設和簡化，存在監測時長過短而無法實現液位變化，間接計算蒸發量存在二次誤差，缺少實驗數據佐證等不足。因此考慮以實驗為基礎，結合LNG多組分特性和非穩態溫度場理論，提出能有效預報LNG蒸發參數的fluent算法。

1 液氮蒸發實驗

1.1 實驗設備

實驗選取液氮作為工質進行低溫實驗。實驗采用1.5 m3C型液罐，見圖1。

液罐底部裝有稱重設備，且在液罐的上、中、下部設有若干溫度傳感器，見圖2a)、b)。圖中?、?、?表示3層保溫層，數字①～對應各溫度傳感器的編號，其詳細備注見表1。對應的重量、溫度數據都通過軟件顯示于電腦屏幕上供實驗人員實時監測。實驗室空調設置為25 ℃，同時將實驗室用塑料薄膜密閉以減少換熱，保證整個過程環境溫度不變。

溫度傳感器編號量程/℃樣式材質①、②-100～0貼片式鋼③～④、、-100～0貼片式不銹鋼⑦～-200～-100貼片式不銹鋼～-200～-100插入式不銹鋼～-150～0貼片式不銹鋼

1.2 實驗內容

實驗主要研究不同工況下液氮的蒸發情況，尋找有價值的數據和規律。自變量有保溫層厚度、初始裝載量和壓力。

保溫層材料為聚氨酯泡沫，總厚度為400 mm，分為3層，分別為200、300和400 mm，且外面2層可拆卸。初始裝載分為滿載和半載。壓力分為自由蒸發和0.7 MPa憋壓蒸發。

通過記錄上述不同工況的重量、溫度等數據，在實驗結束后進行數據匯整和處理，以得到該實驗不同工況下的蒸發量、溫度場信息。

2 液氮蒸發模擬計算

2.1 模型建立

1.5 m3C型液罐CATIA模型見圖3。液罐長度約2.08 m，罐徑1 m。為節省計算時長，適當省略相應的部件，采用二維模型計算并進行修正，在保證精度的條件下加以簡化。

將模型進行適當調整后導入GAMBIT軟件中進行常規的網格劃分，網格長度約5 mm。隨后將msh文件導入fluent中，見圖4。圖中的圓圈標記為液氮的蒸發流出出口，因此在邊界設置時，將此處設置為壓力出口，而其余面則設置為常規壁面。

2.2 fluent設置

通用設置中，將fluent求解器選擇為基于壓力求解，時態為瞬態。由于模型涉及到氣、液兩相，因此，選擇多相流模型mixture模型。同時，計算存在相變，且有傳熱發生，需開啟能量方程。添加液氮為液相，設為主相；氮氣為氣相，設為次相，二者相變模型選為蒸發—冷凝模型，由液相轉變為氣相，根據液氮物理特性將蒸發-冷凝溫度設為77.15 K。

邊界設置中，需對壓力出口進行氣態條件編輯，設置出口蒸汽含量100%，防止回流，即防止氮氣從出口流回液罐的狀況發生。壁面的邊界設置則需要在thermal項設置常溫溫度條件，且需要自行添加隔熱材料聚氨酯，對其導熱系數、導溫系數相應賦值。隨后應考慮重力的影響，在Y方向上取值-9.81 m/s2，同時開啟混合密度選項，將氮氣的密度作為混合密度值。

在計算設置中，選擇simple算法，梯度插值方案選擇格林-高斯基于單元算法，壓力項選擇體積力方法，其余采用二階迎風格式，并將動量和體積分數的松弛因子調低，約為0.2。監測窗口則記錄液氮的質量，以通過直觀的觀察、記錄液氮重量的變化值來得到蒸發量。液氮蒸發模擬工況采用半載，即50%的初始裝載率來驗證，可在初始化中設置半載，隨后開始計算。

2.3 計算結果

選取a)和b)2種工況結果見圖5。

根據查詢上述兩種工況記錄的詳細數據文本信息，將其平均蒸發率與實驗值進行對比，誤差見表2。

表2 液氮蒸發率fluent值與實驗值對比

由表2可見，該算法算得的結果與實驗值相比，平均誤差約為6.2%，模擬結果與實際結果基本相符，輔以實驗數據做驗證使此算法有一定的說服力，因此可以確定該算法的正確性，并在此算法的基礎上進行微調，用于本文后續對LNG蒸發模擬的計算上。

3 LNG蒸發模擬工作

3.1 LNG多組分工質

實際的LNG并非僅包含甲烷的單一化合物，在材料庫中重新定義LNG組分見表3。

表3 LNG工質組分

添加過熱氣體和過冷液體，即氣、液兩相，隔熱材料為聚氨酯泡沫。

常壓下，液態天然氣相關參數如下。

密度436.27 kg/m3，

摩爾質量16.63 g/mol，

定壓比熱容3.365 5 kJ/(kg·K)，

動力粘度1.312×10-4Pa·s；

氣態天然氣相關參數如下。

密度0.67 kg/m3，

摩爾質量16.63 g/mol，

定壓比熱容2.197 6 kJ/(kg·K)，

粘度1.098×10-5Pa·s。

3.2 非穩態溫度場

由于算法針對非穩態的溫度場，且在LNG多組分特性影響下，LNG蒸發時儲罐內的溫度會與LNG自身的熱物性產生動態變化，存在相互影響的關系。因次，算法在對LNG導熱系數等熱物性賦值時導入了UDF(用戶自定義函數)，通過編譯的C語言程序來實現LNG的導熱系數隨溫度呈函數變化。將導熱系數視作主導因素，其他熱物性選擇性地添加函數關系。氣、液兩相下天然氣導熱系數與溫度的函數關系式不同，分別用C語言編譯成UDF文件導入fluent以實現熱物性動態變化。同時，溫度場設定為自適應，而非恒定。其余的通用設置、邊界設置以及計算設置與液氮模擬計算相同，仍選用mixture模型和simple算法。根據計算硬件條件適當調整步長和壓力、動量的計算模式及其對應的松弛因子以獲得所需的計算時長和精度。

3.3 計算工況設置

以溫度場、保溫層厚度為自變量，LNG的蒸發量為因變量，模擬計算工況見表4。

表4 計算工況設置

初始裝載率統一設定為95%，蒸發狀態選擇設置起來較為簡單的開閥自由蒸發。

4 LNG蒸發計算結果與分析

對工況3、7、4、8下的結果進行整理和修正，對比結果見圖6。

由圖6可知，二者存在差異，但誤差較小。其原因在于液罐本身尺寸較小，罐內不同位置的溫度和漏熱等雖不同，但差異不明顯，因此，各部位LNG熱物性差異亦不明顯，進而使整個LNG的蒸發過程差異較小。以非穩態溫度場的計算結果為準，恒定溫度場計算結果存在的誤差平均約為6.6%。

根據工況5～8的計算結果，可整理結果見圖7和表5。

保溫層厚度/mm100200300400蒸發時長/d2.06.813.923.1

由圖7可知，保溫層厚度不同時，蒸發中前期差異較大，后期差異較小，即加厚保溫層對前期的保溫工作貢獻率較大。

由表5可知，保溫層厚度每增加100 mm，效率平均約提高1.36倍，但效率提升逐漸下降。

5 結論

1)算法能實現對1.5 m3C型LNG液罐進行蒸發時長、蒸發速率等參數的預報工作，可獲得各保溫層下LNG的蒸發時長以及不同液位下蒸發速率的對比，能為實際工程應用提供指導。

2)基于LNG多組分特性和非穩態溫度場理論的算法，較以往采用有限元方法計算漏熱來間接預測可提高6.6%的精確度，今后LNG的蒸發預報計算應考慮采用非穩態溫度場，細化LNG材料組分及其屬性的設定。

3)應用非穩態溫度場對計算精確度的提升可能會因選取模型的大小或模擬工質的不同產生差異，今后可嘗試將該算法應用于大型LNG液貨艙或其他低溫液體的儲運工作中加以驗證和比較。

4)算法以計算和預報LNG的靜態蒸發參數為主，若考慮晃蕩等因素，可在此算法的基礎上引入VOF湍流模型，并根據實際晃蕩情況對邊界條件進行添加和調整來計算和預報LNG的動態蒸發參數。