液化天然气低温分层数值模拟

韩一飞

(西安航空学院， 西安 710077)



液化天然气低温分层数值模拟

韩一飞

(西安航空学院， 西安 710077)

为研究液化天然气储罐内的分层现象，通过建立模型并求解N-S方程获得距液面不同高度的温度计算表达式。结合给定储罐及所处环境的参数，计算随时间变化时储罐内的温度分布，并绘制温度变化曲线。该表达式所得理论数据与已有实验数据较符合。对比液氢热分层数值模拟速度分布，验证了该表达式计算的温度分布趋势，进而为液化天然气储罐内因温度分层发生翻滚的极限判据及储罐设计的进一步研究提供理论支持。

分层；温度分布；液化天然气；液氢

液化天然气(liquefied natural gas,LNG)在停放和运输阶段，液体内部因组分不同会出现温度分层现象[1-2]，尤其对于大型储罐，液体中温度分层现象尤为严重。分层现象的机理及规律研究可对换热器的设计提供参考依据。在储罐壁面漏热的作用下，各层会形成独立的自然对流循环。上下层相邻液的液界面密度随LNG的温升速率发生变化，近似相等时会打破因漏热引起的热对流，导致“翻滚”现象[3]，使储罐内压力突然升高，甚至会对储罐的安全造成威胁，迫使安全阀打开，造成LNG放空。

国内外对液化天然气的分层与翻滚现象都进行了大量实验与理论研究[4-7]。液氢作为新型航天运载火箭的推进剂,由于地面停放阶段的外部自然对流及飞行过程中气动热等原因，贮箱内部会形成热分层现象。探讨液氢热分层的内在机理和原因有助于我国宇航技术的发展。笔者针对低温液体分层现象，以纯甲烷为例，建立几何模型、数学模型，简化后通过求解N-S方程得到液相区储罐内温度分布的表达式。结合液化天然气储罐的具体尺寸参数和环境参数，计算储罐内不同高度随时间变化的温度值。该理论数据与液氢低温分层数值模拟和已知实验数据一致[8-9]，为LNG 储罐内分层发生翻滚的极限判据的进一步研究提供理论支持。

1 构建模型

1.1 原始数据

LNG容器：圆柱形，竖放，内径为10 m，高为12 m。材料：不锈钢，外表为珠光砂绝热层，厚20 mm。常压。气体为CH4。

1.2 理论基础

建立液化气分层几何模型。分层模型示意图如图1所示。

图1 液化气分层模型示意图

1.2.1 分层模型

模型中，假设靠近储罐壁面的液体受热形成自然对流向上运动，在储罐上部形成温度分层区。自然对流的形成发展过程影响着分层区的形成。分层区内存在物质、动量和能量交换。动量与能量方程为：

动量方程

(1)

能量方程

若电缆、电线较多，也可采用桥架架设。当桥架穿越防护密闭隔墙时，应改穿管敷设，并按要求进行防护密闭处理。

(2)

将式(1)和(2)的边界层温度和速度无量纲化。假定边界层厚度和特征速度的分布为：δ=a1xm1，U=a2xn1，分层区的温度分布符合幂次分布E(Z)=mZn(m和n为常数，Z为分层区底部以上的高度)，求解得到a1，a2，m1和n1。相应温度分布表达式为

(3)

式中：A为受热面积；δs为分层区总高度；Z为距离分层区内底部的高度；T为加热时间。

1.2.2 储罐周壁在环境漏热作用下的热流密度

取环境温度为20 ℃，即293.5 K，空气对流换热系数h0=7.6 W/m2K，珠光砂的导热系数λ=0.05 W/m·K。储罐压力为0.1 MPa时，纯甲烷的饱和温度t=111.51 K；储罐压力为0.6 MPa时，饱和温度t=138.73 K。忽略其对流换热热阻和不锈钢壁的导热热阻。

管壁绝热层热阻：

其中：A0是圆柱体外径下的周壁面积;A是内径下的周壁面积。

2 温度分布计算及分析

储罐内的温度分布计算基于式(3)。初始时刻，即压力为0.1 MPa时，整个储罐处于均相平衡状态;液相分层形成后，其上部空间的气枕压力会随液气分界面处液体蒸发而增大至0.6 MPa。气枕压力变化是一个非定常过程。为简化模型，假设气腔内的压力瞬间达到0.6 MPa，则对应气液分界面处的温度瞬间达到0.6 MPa对应的饱和温度138.73 K。热量不断向液相区底部渗入，直到最终整个储罐内液化气温度达到新的平衡状态。计算过程中，物性参数随温度改变而变化，通过软件可获得液化气在任意温度、0.6 MPa定压下的ρ和c值，代入式(3)可计算储罐不同高度和经过不同时间后的温度大小。

2.1 各高度下随时间变化温度的增加

甲烷在不同高度下经历不同时间长短后的温度增加值如表1和图2所示。

由图2可以看出：随着时间的变化，气液分界面处的温度一直保持138.73 K不变，在较低储罐高度下，随着时间增大都会相继达到138.73 K，当时间趋向于无穷大的时候，整个温度场会变得均匀，即都达到0.6 MPa对应的饱和状态。

2.2 经过特定时间后各高度下的温度

由于分层现象，使得液相区上部温度变化快，热流更多的向上流动，进入储罐的能量更多集中于液体上部的分层区，使温度呈现上高下低的特点，如表2和图3所示。

表1 甲烷经过不同时间后的温度增加值 K

表2 液相区各高度经过不同时间后的温度值 K

图2 经过一段时间后液相区不同高度下的温度增加值

由图3可知：经相同时间后，液相区上部的温度值较大，随时间的延续，最终达到并保持138.73 K不变。时间越长，对应等高度温度值越大。

2.3 不同时间、特定高度下温度值

在特定高度下，当时间不断增大时，各高度具体温度值及变化曲线如表3和图4所示。

表3 液相区各高度经过不同时间后的温度值 K

由图4可以看出：高度越高，压力越容易达到0.6 MPa对应的饱和温度138.73 K。曲线斜率随高度降低而不断减小，即高度越高，温度变化越快。

图4 特定高度不同时间后的温度值

3 液氢储罐热分层二维非定常数值模拟

在液氢气腔压力为常压，低温液氢储罐内径为10 m，高为12 m，材料为不锈钢，外壁面发泡绝热层厚20 mm，考虑壁面漏热产生热分层现象，利用FLUENT软件进行液氢二维非定常数值模拟，得到不同时间节点下的温度分布，如图5所示。

图5 经过不同时间后液氢储罐内的温度分布

由图5可以看出：储罐内液氢在壁面漏热作用下会沿内壁面形成向上的流动边界层，热量聚积在热边界层内使得液体温度升高，密度降低。随着时间的增加，热流体向上运动引起热边界层厚度沿储罐高度方向逐渐增加。气枕区及热边界层的热量随回流流体的运动逐渐向下传递，高温回流流体热量因被内部过冷液体冷却而降低。随着自然对流循环的进行，储罐内部液氢主体区出现轴向温度分层现象，当等温度曲线扩散至储罐底部时，温度分布最终稳定，达到新的平衡状态。

4 结论

1) 气液分界面处的温度会一直保持138.73 K不变，储罐较低高度处液体温度随时间变化会相继达到0.6 MPa对应的饱和温度138.73 K，最终整个温度场变为均匀场。

2) 经过相同时间，热流体更多地向上部区域流动使得该区域温度值较大。同一时刻，储罐内温度呈上高下低的特点。

3) 低温液体液氢的二维非定常数值模拟结果分析与笔者建立模型所得表达式并结合实践参数的计算结果一致。

利用建立模型所得液化气储罐内温度分布表达式计算的理论数据与已有实验数据较符合，与数值模拟所得温度场分布规律较一致，为液化气储罐内因分层发生翻滚的极限判据及液化气储罐设计的进一步研究提供了理论支持。

[1] 李品友，顾安忠.液化天然气贮存非稳定性的理论研究[J].中国学术期刊文摘(科学快报)，1999，5(2)：170-172.

[2] 韩一飞.液化天然气低温贮存分层研究[J].西安航空学院学报，2014,32(1)：79-83.

[3] 林文胜，顾安忠，李品友.液化天然气的分层与漩涡研究进展[J].真空与低温，2000，6(3)：125-132.

[4] 程向华，厉彦忠，陈二锋.火箭液氧贮箱热分层现象数值模拟[J].低温工程，2008，162(2)：10-13.

[5] 程向华，厉彦忠，陈二锋，等.新型运载火箭射前预冷液氧贮箱热分层的数值研究[J].西安交通大学学报，2008，42(9)：1132-1136.

[6] Cheng Xianghua，Li Yanzhong，Chen Erfeng，et al.Effect of return inlet on thermal stratification in a rocket tank[J].Journal of Thermo-physics and Heat Transfer，2010，24(1)：112-122.

[7] 程向华，厉彦忠.低温液体热分层特性分析[J].低温工程，2011,183(5)：50-55.

[8] 江帆，黄鹏.Fluent高级应用与实例分析 [M].北京:清华大学出版社，2008:73-138.

[9] 张凯，王瑞金，王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社，2010:125-13.

(责任编辑 刘 舸)

Numerical Simulation Study on Cryogenic Storage and Stratification of Liquefied Natural Gas

HAN Yi-fei

(Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710077, China)

This paper focused on stratification within the LNG vessel, and established the stratification model, and obtained the formula which calculated the temperature distribution of the liquid phase in the vessel through solving theN-Sequations. With the given parameters of the vessel and the environment, it got specific temperature at specific height in the vessel after a specific period of time, and drawn the temperature curve. The calculates agree with the temperature distribution trend from the cryogenic liquid hydrogen thermal stratification of numerical simulation results, and conforms to the experimental data so that it provides theoretical support for further research on criterion of hierarchical LNG tanks roll limit.

stratification; temperature distribution; liquefied natural gas; liquid hydrogen

2014-11-22 基金项目：陕西省自然科学基础研究计划资助项目(2012JQ7028)

韩一飞(1986—)，男，硕士，主要从事动力工程及工程热物理研究。

韩一飞.液化天然气低温分层数值模拟[J].重庆理工大学学报：自然科学版，2015(3):37-41.

format：HAN Yi-fei.Numerical Simulation Study on Cryogenic Storage and Stratification of Liquefied Natural Gas[J].Journal of Chongqing University of Technology:Natural Science,2015(3):37-41.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2015.03.008

TB658

A

1674-8425(2015)03-0037-05