大型液化天然氣儲罐泄漏擴散數(shù)值模擬.pdf

1、隨著液化天然氣(LNG)全球貿(mào)易量的快速增長，大批的LNG工程項目紛紛投產(chǎn)，LNG儲罐的數(shù)量不斷增多，儲罐泄漏風險進一步增大。大型LNG儲罐內(nèi)儲存著大量的極低溫(-162℃)且易燃易爆的LNG，一旦發(fā)生泄漏將對周邊人群、財產(chǎn)及大氣環(huán)境造成極大的危害。選擇合理方法與合適工具對大型LNG儲罐可能的泄漏及蒸汽云擴散危害后果進行模擬研究，對于LNG接收站選址、應急預案制定、緊急疏散區(qū)域劃定以及事故危害后果評估與索賠等都有重要意義。
　　

2、 為了在眾多氣體擴散模型工具中確定一個適合本研究的模型，本文綜合了大量文獻研究成果，結(jié)合本研究的特點，制定了LNG泄漏擴散模型定量評價方法，借助于國外大型LNG泄漏擴散現(xiàn)場實驗數(shù)據(jù)集，對基于Fluent的CFD模型在LNG儲罐泄漏擴散模擬上的“有效性”進行定量評價，評價結(jié)果表明：同其它的模擬工具相比，F(xiàn)luent對LNG儲罐泄漏擴散行為的模擬具有更好的“有效性”。
　　 考慮到儲罐周邊空氣流動對LNG泄漏擴散的重要影響，本模擬研

3、究分兩步進行，即，首先對LNG儲罐周邊環(huán)境風場進行數(shù)值模擬，風場計算收斂后再進行LNG泄漏擴散數(shù)值模擬。
　　 為了對儲罐風場進行數(shù)值模擬，本文分析了近地面的大氣邊界層流動特性及主要特征參數(shù)，確定了平均風剖面以及湍流特征參數(shù)的計算方式，并用C語言編制了相應的UDF程序(用戶自編程序)；按照阻塞率、模型擺放位置以及風出流面最佳位置等風工程計算流域確定原則創(chuàng)建了包含有LNG儲罐物理模型的計算流域；采用了分體加密方法進行網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格

4、質(zhì)量控制；最后對LNG儲罐風場進行數(shù)值模擬。LNG儲罐風場數(shù)值模擬結(jié)果不但表明了本文在計算流域建模上合理性，而且詳細地顯示了LNG儲罐附近區(qū)域的滯流、分流、繞流、回流等復雜流動特征。
　　 然后文章分析了LNG泄漏擴散過程的基本特征，研究了流體在泄漏孔中的可能流動狀態(tài)及判斷方式，解決了LNG儲罐泄漏速率計算問題；采用了歐拉-拉格朗日多相流模型和顆粒的隨機軌道方法模擬LNG從泄漏孔泄漏后射流的發(fā)展變化過程；結(jié)合地面?zhèn)鳠釋嶋H情況，構(gòu)

5、建了考慮LNG與地面間沸騰狀態(tài)的地面?zhèn)鳠崮Ｐ?，并通過用戶自編程序(UDF)與多相流模型耦合。耦合了氣體相流動、液體相流動以及地面?zhèn)鳠岬饶Ｐ偷腖NG儲罐泄漏擴散模擬不但在三維空間上直觀形象地顯示出氣云不同濃度區(qū)域隨時間動態(tài)變化過程，而且很好地模擬出氣云重力沉降、葉狀分叉、兩側(cè)堆積等氣云擴散特征。
　　 LNG泄漏擴散過程中出現(xiàn)的“白霧”現(xiàn)象是由于泄漏擴散形成的低溫場導致空氣中水蒸氣發(fā)生結(jié)冰結(jié)露相變引起的。為了考察空氣中的水蒸氣在L

6、NG儲罐泄漏擴散過程中的相變行為及其對氣云擴散的影響，本文利用VOF多相流模型與物質(zhì)輸運模型來求解冰、水和水蒸氣各相的無相變流動，再根據(jù)冰、水和水蒸氣相間的傳質(zhì)傳熱機理分別構(gòu)建了水的蒸發(fā)冷凝模型、升華和凝華模型以及凝固和融化模型，通過UDF程序解決了水蒸氣與水、冰相間的傳質(zhì)傳熱問題，最終實現(xiàn)了LNG泄漏擴散過程水蒸氣相變數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果表明：溫度場是水蒸氣發(fā)生相變的直接推動力；空氣濕度對結(jié)冰結(jié)露的范圍有較大影響，對氣云擴散速度有一

7、定影響，但對氣云下風向最大危害距離、爆炸范圍等影響有限。
　　 所有與事故相關(guān)過程的模擬研究都是為減災救災服務的。為此，本文最后對儲罐圍堰、建筑物、泄漏源以及風等對LNG儲罐泄漏擴散的作用進行數(shù)值模擬，模擬結(jié)果表明：圍堰能有效地堵截氣云，阻礙或減少氣云往下風向漂移；泄漏形成的氣云容易集聚在儲罐與建筑物之間，將對建筑物構(gòu)成極大威脅；泄漏源與事故危害后果有直接關(guān)系，泄漏率越大，LNG泄漏擴散造成危害越大。根據(jù)這些模擬應用結(jié)果對LNG