隨著化工工業(yè)的快速發(fā)展,氣體燃料作為新型的化工燃料和能源,具有清潔、控制性強和便于運輸?shù)忍攸c,廣泛運用于日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。由于氣體燃料本身具有易燃易爆炸的性質(zhì),所以在日常和工業(yè)生產(chǎn),運輸和使用過程中一旦泄漏,液化可燃氣體會迅速氣化形成大量爆炸性混合氣體,發(fā)生火災爆炸事故。由于氣體燃料儲罐災害事故時有發(fā)生,所以研究儲罐在熱環(huán)境下的熱響應行為對預防災害事故的發(fā)生和減少事故后果具有重要的指導意義。多年來,國內(nèi)外研究人員對對儲罐的熱響應行為進行了大量的實驗研究和數(shù)值模擬。總結了儲罐熱響應行為的原理和規(guī)律,現(xiàn)有研究表明儲罐熱響應行為中,熱分層的產(chǎn)生可以降低儲罐內(nèi)部介質(zhì)的能量,從而降低儲罐失效發(fā)生的風險。但是由于實驗過程的復雜性和危險性,還有數(shù)值模擬過程中的不確定性,所以對于儲罐熱響應行為中的熱分成形成和消除機理以及影響因素的研究尚未達成一致的結論,仍然是學術界的研究熱點。鑒于此,本文展開了以下研究工作:(1)以實驗儲罐為研究對象,建立合理熱環(huán)境下儲罐熱響應行為的物理模型和數(shù)學模型。采用二維非穩(wěn)態(tài)計算和基于壓力的分離式算法對控制方程進行求解,選取RNG k-ε湍流模型和VOF兩相流模型進行數(shù)值模擬,使用自定義函數(shù)UDF來控制氣液相變過程。(2)用Fluent軟件對熱環(huán)境下的儲罐熱響應行為進行模擬計算,驗證計算模型的有效性,分析了介質(zhì)溫度響應,壁面溫度響應和壓力響應過程。改變加熱區(qū)域、充裝率、外部熱環(huán)境、介質(zhì)初溫和壁面參數(shù)進行計算模擬,分析這些工況條件的改變對儲罐熱響應行為中熱分層的產(chǎn)生和消除的影響。數(shù)值模擬結果表明:加熱區(qū)域越大,儲罐內(nèi)部介質(zhì)溫度響應越強,壓力上升速率越大,熱分層維持時間越長;充裝率越小,液相熱分層度越高,熱分層維持時間越長,壓力上升速率越大,儲罐壁面溫度分層度越高且高溫區(qū)域面積擴大;體積生熱率越大,儲罐內(nèi)部介質(zhì)溫度響應和壓力上升速率越高,沸騰擾流作用越強,溫度突躍時間更短;介質(zhì)初溫越高,熱分層程度越低,分層消除時間越短;儲罐壁面越厚,儲罐內(nèi)部介質(zhì)溫度響應和壓力上升速率越低,壁面導熱系數(shù)越高,熱響應行為更強,但是壁面溫度更低。加熱區(qū)域越大,體積生熱率越大,介質(zhì)初溫越高,儲罐越容易失效。合理的充裝率和壁面參數(shù)可以有效抑制儲罐失效。本文創(chuàng)新點:采用體積熱源的加熱方式,研究各工況對熱分層過程影響,研究熱分層形成和消失的機理,并根據(jù)各工況條件對熱分層的影響提出防止儲罐失效的建議措施。
【學位單位】：天津理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TQ517.5;TQ086
【部分圖文】：

燃料通常采用液化儲罐儲存的方式。液化儲罐儲存主要分為加壓儲。常見的如液化石油氣（LiquefiedPetroleumGas，LPG）采用加壓儲主要用于液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，LNG）的儲存。當液生破裂泄漏時，因為液化氣體本身具有易燃的特性，使其會迅速氣炸性混合氣體，發(fā)生火災爆炸事故。外液化氣體儲罐火災爆炸事故頻繁發(fā)生。1966 年，在法國發(fā)生了人死亡 LPG 蒸汽爆炸事故[1]。1984 年，墨西哥某罐區(qū)發(fā)生 LPG 儲引發(fā)火災導致儲罐連環(huán)爆炸，造成 500 多人死亡和巨額財產(chǎn)損失[2]意大利 Viareggio 市發(fā)生的 LPG 儲罐泄漏爆炸事故導致 31 人死亡上海某煉油廠發(fā)生的大型液化氣灌爆照事故導致 40 多人傷亡[4]。市液化石油氣站發(fā)生爆炸事故，事故導致數(shù)十人傷亡和多打 400 萬[4]。在大型儲罐火災爆炸事故中，LPG 儲罐產(chǎn)生的災害占 46%[5]。儲罐受到外部熱侵襲作用時，儲罐泄漏事故可以分為兩類：第一類部破裂。介質(zhì)形成氣體云團，產(chǎn)生蒸起爆炸；第二類為儲罐整體發(fā)生“沸騰液體膨脹蒸氣爆炸事故”（Boiling Liquid Expanding Vn,BLEVE）。液化石油氣儲罐泄漏事故過程如圖 1.1 所示。

圖 2.1 儲罐壁面?zhèn)鳠崮Ｐ虵ig.2.1 The heat transfer model of the tank wall儲罐固體壁面邊界條件的設定除了要考慮傳熱模型，還要考慮儲罐內(nèi)壁面的湍流問題。當介質(zhì)在近壁面處流動時，由于儲罐壁面附近流場變量很大，因此內(nèi)壁面對湍流流動的計算會產(chǎn)生很大的影響。無論哪種湍流模型都只能求解處于湍流核心處的流動，只針對充分發(fā)展的湍流流動才有效，靠近壁面存在粘性力的作用，因此近壁面的流動基本為層流，湍流應力不起作用。解決這一問題有兩個方法：第一個方法是通過網(wǎng)格劃分來解決，在近壁面處劃分較細的網(wǎng)格，同時修正湍流系數(shù)；第二個方法是用半經(jīng)驗公式的壁面函數(shù)法，壁面函數(shù)法包括標準壁面函數(shù)法和非平衡壁面函數(shù)法。標準壁面函數(shù)法適用于普通流動問題，非平衡壁面法適用于近壁面處大流場梯度的問題。壁面函數(shù)法適應于高雷諾數(shù)的流動而壁面網(wǎng)格加密只適用于低雷諾數(shù)流動。因此本文模型采用標準壁面函數(shù)法。壁面函數(shù)法的好處在于不用加密網(wǎng)格，為后續(xù)計算過程節(jié)省資源。2.2.4 兩相流模型

圖 3.1 幾何模型Fig.3.1 The Geometric model圖3.1所示的幾何模型內(nèi)徑為310mm，直筒段長度為510mm，總長度681mm，儲罐壁面厚度為 8mm，儲罐容積為 48L。因為本文模擬計算不考慮安全閥的作用，所以沒有設置泄放管。該幾何模型中，包括了氣相區(qū)、液相區(qū)和壁面區(qū)。陰影部分為液相區(qū)，陰影部分上部的空白部分為氣相區(qū)，如圖所示儲罐內(nèi)部充裝率為 58%。因為儲罐是軸對稱圖形?
【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

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相關博士學位論文 前2條

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相關碩士學位論文 前5條

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本文編號：2868079