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(qiáng)和便于運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn),廣泛運(yùn)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(yùn)輸和使用過程中一旦泄漏,液化可燃?xì)怏w會(huì)迅速氣化形成大量爆炸性混合氣體,發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。由于氣體燃料儲(chǔ)罐災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生,所以研究儲(chǔ)罐在熱環(huán)境下的熱響應(yīng)行為對預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生和減少事故后果具有重要的指導(dǎo)意義。多年來,國內(nèi)外研究人員對對儲(chǔ)罐的熱響應(yīng)行為進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬�？偨Y(jié)了儲(chǔ)罐熱響應(yīng)行為的原理和規(guī)律,現(xiàn)有研究表明儲(chǔ)罐熱響應(yīng)行為中,熱分層的產(chǎn)生可以降低儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)的能量,從而降低儲(chǔ)罐失效發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。但是由于實(shí)驗(yàn)過程的復(fù)雜性和危險(xiǎn)性,還有數(shù)值模擬過程中的不確定性,所以對于儲(chǔ)罐熱響應(yīng)行為中的熱分成形成和消除機(jī)理以及影響因素的研究尚未達(dá)成一致的結(jié)論,仍然是學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。鑒于此,本文展開了以下研究工作:(1)以實(shí)驗(yàn)儲(chǔ)罐為研究對象,建立合理熱環(huán)境下儲(chǔ)罐熱響應(yīng)行為的物理模型和數(shù)學(xué)模型。采用二維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算和基于壓力的分離式算法對控制方程進(jìn)行求解,選取RNG k-ε湍流模型和VOF兩相流模型進(jìn)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(chǔ)罐熱響應(yīng)行為進(jìn)行模擬計(jì)算,驗(yàn)證計(jì)算模型的有效性,分析了介質(zhì)溫度響應(yīng),壁面溫度響應(yīng)和壓力響應(yīng)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(jìn)行計(jì)算模擬,分析這些工況條件的改變對儲(chǔ)罐熱響應(yīng)行為中熱分層的產(chǎn)生和消除的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明:加熱區(qū)域越大,儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)溫度響應(yīng)越強(qiáng),壓力上升速率越大,熱分層維持時(shí)間越長;充裝率越小,液相熱分層度越高,熱分層維持時(shí)間越長,壓力上升速率越大,儲(chǔ)罐壁面溫度分層度越高且高溫區(qū)域面積擴(kuò)大;體積生熱率越大,儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)溫度響應(yīng)和壓力上升速率越高,沸騰擾流作用越強(qiáng),溫度突躍時(shí)間更短;介質(zhì)初溫越高,熱分層程度越低,分層消除時(shí)間越短;儲(chǔ)罐壁面越厚,儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)溫度響應(yīng)和壓力上升速率越低,壁面導(dǎo)熱系數(shù)越高,熱響應(yīng)行為更強(qiáng),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(chǔ)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(chǔ)罐失效。本文創(chuàng)新點(diǎn):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(jī)理,并根據(jù)各工況條件對熱分層的影響提出防止儲(chǔ)罐失效的建議措施。
【學(xué)位單位】：天津理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TQ517.5;TQ086
【部分圖文】：

燃料通常采用液化儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的方式。液化儲(chǔ)罐儲(chǔ)存主要分為加壓儲(chǔ)。常見的如液化石油氣（LiquefiedPetroleumGas，LPG）采用加壓儲(chǔ)主要用于液化天然氣（LiquefiedNaturalGas，LNG）的儲(chǔ)存。當(dāng)液生破裂泄漏時(shí)，因?yàn)橐夯瘹怏w本身具有易燃的特性，使其會(huì)迅速氣炸性混合氣體，發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。外液化氣體儲(chǔ)罐火災(zāi)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(chǔ)引發(fā)火災(zāi)導(dǎo)致儲(chǔ)罐連環(huán)爆炸，造成 500 多人死亡和巨額財(cái)產(chǎn)損失[2]意大利 Viareggio 市發(fā)生的 LPG 儲(chǔ)罐泄漏爆炸事故導(dǎo)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(dǎo)致 40 多人傷亡[4]。市液化石油氣站發(fā)生爆炸事故，事故導(dǎo)致數(shù)十人傷亡和多打 400 萬[4]。在大型儲(chǔ)罐火災(zāi)爆炸事故中，LPG 儲(chǔ)罐產(chǎn)生的災(zāi)害占 46%[5]。儲(chǔ)罐受到外部熱侵襲作用時(shí)，儲(chǔ)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(tuán)，產(chǎn)生蒸起爆炸；第二類為儲(chǔ)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(chǔ)罐泄漏事故過程如圖 1.1 所示。

圖 2.1 儲(chǔ)罐壁面?zhèn)鳠崮Ｐ虵ig.2.1 The heat transfer model of the tank wall儲(chǔ)罐固體壁面邊界條件的設(shè)定除了要考慮傳熱模型，還要考慮儲(chǔ)罐內(nèi)壁面的湍流問題。當(dāng)介質(zhì)在近壁面處流動(dòng)時(shí)，由于儲(chǔ)罐壁面附近流場變量很大，因此內(nèi)壁面對湍流流動(dòng)的計(jì)算會(huì)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(dòng)，只針對充分發(fā)展的湍流流動(dòng)才有效，靠近壁面存在粘性力的作用，因此近壁面的流動(dòng)基本為層流，湍流應(yīng)力不起作用。解決這一問題有兩個(gè)方法：第一個(gè)方法是通過網(wǎng)格劃分來解決，在近壁面處劃分較細(xì)的網(wǎng)格，同時(shí)修正湍流系數(shù)；第二個(gè)方法是用半經(jīng)驗(yàn)公式的壁面函數(shù)法，壁面函數(shù)法包括標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法和非平衡壁面函數(shù)法。標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法適用于普通流動(dòng)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(yīng)于高雷諾數(shù)的流動(dòng)而壁面網(wǎng)格加密只適用于低雷諾數(shù)流動(dòng)。因此本文模型采用標(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(chǔ)罐壁面厚度為 8mm，儲(chǔ)罐容積為 48L。因?yàn)楸疚哪M計(jì)算不考慮安全閥的作用，所以沒有設(shè)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(chǔ)罐內(nèi)部充裝率為 58%。因?yàn)閮?chǔ)罐是軸對稱圖形?
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2868079