基于FLUENT的LNG储罐瞬态蒸发率仿真实验

管 官， 林 焰，b， 杨 蕖， 周 帅

(大连理工大学 a.船舶CAD工程中心； b.工程装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

·专题研讨——虚拟仿真实验(49)·

基于FLUENT的LNG储罐瞬态蒸发率仿真实验

管 官a， 林 焰a，b， 杨 蕖a， 周 帅a

(大连理工大学 a.船舶CAD工程中心； b.工程装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

为使学生接触专业科研前沿，更好地培养其科研与创新能力，将LNG储罐瞬态蒸发率研究内容引入到实验教学当中，开展了基于FLUENT的LNG储罐瞬态蒸发率仿真实验研究。利用FLUENT进行仿真实验，可直观呈现LNG储罐在不同充满率、不同环境温度、不同内径尺寸下LNG蒸发率的变化规律，便于学生理解LNG蒸发规律。通过该教学和科研相结合的仿真实验，提高了实验教学效果，有利于提高学生的仿真能力，激发学生的科学探索精神，培养学生运用实验手段解决科研问题的能力。

液化天然气储罐； 瞬态蒸发率； 仿真实验； FLUENT

0 引 言

科研驱动教学模式是研究型大学教学改革的重要内容之一[1]，具有教学方法和教学内容上的创新性。科学研究是高质量教学的有力保证[2]。在教学改革中，将专业前沿的科研课题融入到教学环节，使学生有机会接触到实际的工程实践，有助于提升学生的学习积极性，培养学生的科学素养和实际工程能力以至有所创新[3]。

随着液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)船型的开发和广泛应用，LNG的安全存储已经成为LNG船能否安全使用一个关键问题。由于LNG易燃易爆的特性，必须保证其不能泄漏，LNG储罐的绝热性就显得至关重要，而蒸发率是评价绝热性的重要指标，因此，为保证船舶LNG储罐的安全使用，对LNG蒸发率进行研究，无论是从工程应用还是科研教学来讲，都具有着重要的意义[4-7]。

为了加强培养学生的科研能力与创新能力，本文将LNG储罐瞬态蒸发率研究内容引入到教学实验中，设计了“基于FLUENT的LNG储罐瞬态蒸发率仿真实验”，给学生创建一个接触科研前沿、应用专业知识的平台，创建科学研究的情境，激发学生的科学探索热情。FLUENT作为当今计算仿真技术中最有效、最实用的工具之一，为仿真实验教学提供了工具[8]。将FLUENT仿真融入LNG储罐瞬态蒸发率实验教学中，不仅可以促进学生对蒸发规律的理解，还能增强学生的仿真实践能力。这种科研与实践相结合的教学模式能有效提高教学质量，培养学生从中学到新的思维方式和运用实验手段解决科研问题的能力[9-11]。

1 实验计算模型

1.1计算模型分析

本实验针对大连理工大学船舶制造国家工程中心研制的1.5 m3独立C型LNG储罐(已授权发明专利)[12]，对其瞬态蒸发过程采用均相表面蒸发率模型进行仿真，将环境漏热量均用于LNG蒸发，初始假定罐内所有介质温度都相等，环境漏热量作为LNG蒸发唯一热源，计算采用MIXture模型[13]，因此，整个储罐内的温度场分为气相，液态相以及气液混合相。此外，由于C型罐外形简单，为圆柱形且边界条件轴对称，在求解C型罐内LNG自然蒸发率问题时，可以把求解区域看做C—H—C型区域，考虑减少计算量，本实验将LNG自然蒸发作为一个二维的热传导问题，计算模型如图1所示，由于C型罐实物尺寸不大，采用实际尺度计算仿真。

图1 独立C型LNG储罐

1.2模型建模及网格

采用FLUENT前处理软件Gambit建模及网格划分，由于LNG储罐模型形状相对规则，故采用全结构化网格划分策略，并定义相应边界条件类型以及网格流域，此外，为了确保计算精确，在漏热区网格进行加密。网格划分图如图2所示，网格数约为3万个。

(a) 0.2充满率

(b) 0.5充满率

本仿真实验探讨影响LNG蒸发率各种因素，包括LNG储罐充满率、LNG储罐外部环境温度及LNG储罐内径。为能清楚反应各影响因子对储罐内LNG蒸发率的影响，本实验采用单参数变化影响因子，考虑充满率变化0.1～0.9，间隔0.1；内径0.5～2.5 m，间隔0.5 m；环境漏热温度118～122 K，间隔1 K。

1.3模型边界条件设置

本实验计算LNG瞬态蒸发率，求解时均连续性方程、动量方程、时均湍流方程以及能量方程，采用基于压力求解器以及SIMPLE格式，多相流模型使用Mixture模型，并结合标准两方程湍流方程k-ε计算湍流场。此外在计算LNG蒸发率时考虑相应的模型简化，即认为液态LNG为均质不可压缩流体，并忽略流体粘性耗散，且不考虑LNG蒸发时物性参数变化。本实验结合均相表面蒸发模型，模型边界均设置为无滑移壁面边界条件，初始计算C型罐内气液两相温度均为109.15 K，漏热区壁面温度高于饱和温度111.15 K。LNG蒸发过程是由液态相达到饱和温度时，向气态进行转换，存在相变过程，本实验基于C语言，编写相变UDF函数，通过FLUENT中的UDF模块，将相变函数加载到FLUENT求解源相，从而模拟LNG蒸发相变过程。

UDF函数主要分为四段分别为：C语言头文件及定义相变条件；定义液相转变条件及算法，即液相单元温度若达到饱和温度时，液相向气相进行质量转移；定义气相转变算法，即定义气液混合区单元温度若达到饱和温度时，液相向气相进行质量转移；定义混合模型能量源相，即定义混合区单元温度达到饱和温度时，液态LNG相气相转换，并吸收热量[14-15]。

2 实验结果与分析

2.1充满率影响

对1.5 m3LNG储罐在不同充满率下的蒸发进行仿真，得到从0.1～0.9充满率下蒸发量随时间变化的曲线，漏热温度为120 K，内径为0.5 m，以0.5充满率为例，图3给出了0.5充满率蒸发量变化曲线。

图3 0.5充满率蒸发量变化曲线

0.1～0.9充满率下蒸发率计算结果为：39.7%,26.6%,19.9%,16.1%,13.1%,11.5%,9.5%,8.5%,4.4%。为了预测此LNG储罐在不同充满率下的蒸发率，得到多项式函数的拟合:

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

R2=0.997 4

绘制0.1～0.9不同充满率下蒸发率的计算曲线，如图4所示。

图4 蒸发率随充满率变化曲线

为了更直观地表达罐内LNG液态与气态的分布，给出罐内气液态分布云图如图5所示。可见，随着充满率的增大，LNG蒸发率会不断变小，在0.9的充满率下，LNG的日蒸发率为4.4%。环境进入的热量一方面作用在蒸发一方面作用在为过冷的液相来提高内能，当充满率不断增大的时候，需要为过冷的液相增加的内能就会增多，用于蒸发的就会减少，所以其蒸发率会降低。

图5 充满率0.5时的蒸汽比例分布云图

2.2环境温度影响

对1.5 m3LNG储罐在不同环境温度下的蒸发进行仿真，设由外界环境温度热传导形成的壁面温度的不同来分析，其充满率为0.9，环境温度产生的壁面温度分别取118，119，120，121，122 K 5种不同的情况进行分析。图6所示为118 K蒸发量变化曲线。

图6 118 K蒸发量变化曲线

不同的环境漏热温度下蒸发率的计算结果如表1所示。

表1 不同环境漏热温度下的蒸发率计算结果

可见，当环境温度增加时，LNG蒸发率也在不断增大。此结论是由于由外界进入其内部的热量是其内部与外界温度大小的差值与保温层材料自身的导热系数成正比，是由这两个已知量所构成的函数。如果环境温度不断升高，保温层内外两边的温度差距的数值也会增大，这样会导致进入罐内的热量变多，使气体的蒸发加快，也就提高了蒸发率。所以，冬天LNG蒸发的速率将低于夏天LNG蒸发的速率，所以在设计过程中，为了安全起见，应当按照夏天的温度标准来进行LNG储罐的设计。

2.3储罐内径尺寸影响

对1.5 m3LNG储罐在不同储罐内径下的蒸发进行仿真，在充满率为0.5时，对内径为0.5,1.0,1.5，2.0，2.5 m 5种情况下不同的蒸发率进行计算。图7给出了内径为1.5 m蒸发量变化曲线。

图7 内径为1.5 m蒸发量变化曲线

5种不同的内径下蒸发率的计算结果如表2所示。可见，随着内径的增大，LNG的蒸发率在不断变大(用于小罐的计算)。这是由于随着内径的增大，其对应的传热面积不同，内径增大，传热面积会变大，继而漏入的热量会变多，蒸发就会变快，蒸发率也会升高。

表3 不同内径下的蒸发率计算结果

3 结 语

本文将LNG储罐瞬态蒸发率研究内容引入到教学实验中，设计了基于FLUENT的LNG储罐瞬态蒸发率仿真实验，通过仿真实验，获得不同充满率、不同环境温度、不同内径尺寸下LNG蒸发率，通过对实验结果分析，得出：随着充满率的增大，LNG的蒸发率在不断变小；随着环境温度的增大，LNG的蒸发率在不断变大；随着内径尺寸的增大，LNG的蒸发率在不断变大。

通过该仿真实验，可以给学生创建一个接触科研前沿、提高实验技能的平台，学生通过操作实验过程、分析实验结果和撰写实验报告，可以从中学习FLUENT的建模、网格划分、仿真分析等方法，培养学生利用先进仿真软件解决实际科研问题的能力。将FLUENT仿真融入LNG储罐瞬态蒸发率实验教学中，不仅可以促进学生对蒸发规律的理解，还能激发学生的科学探索热情。这种科研与实践相结合的教学模式能有效提高实验教学的质量，培养学生运用实验手段解决科研问题的能力。

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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

国家自然科学基金资助项目(51609036)；中国博士后科学基金资助项目(2014M561234、2015T80256)；辽宁省博士启动基金(201501176)资助项目；中央高校基本科研业务费专项资金资助(DUT16RC(4)26)

管 官(1983-),男,满族,辽宁丹东人，博士，讲师，主要从事船舶与海洋工程专业相关教学与科研工作。Tel.:13610926011; E-mail： guanguan@dlut.edu.cn