【摘要】：隨著國(guó)家能源發(fā)展戰(zhàn)略對(duì)清潔、高效、安全、可持續(xù)現(xiàn)代能源體系的構(gòu)建,清潔燃料如天然氣、石油氣、氫氣等在能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化中占據(jù)的地位變得愈加重要。而氣體燃料由于往往采用加壓或低溫方式進(jìn)行液化儲(chǔ)存,因此具有明顯的降壓敏感和熱敏感特性,一旦其儲(chǔ)存設(shè)備破裂,將迅速沸騰噴射,引發(fā)蒸汽爆炸、火球甚至罐區(qū)的連環(huán)爆炸事故。液化氣體儲(chǔ)罐破裂事故受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣發(fā)關(guān)注,已開(kāi)展的研究工作獲得了儲(chǔ)罐破裂事故的宏觀規(guī)律,關(guān)于高溫下固體材料應(yīng)力響應(yīng)和罐內(nèi)介質(zhì)能量積累影響下的儲(chǔ)罐破裂過(guò)程裂紋擴(kuò)展行為的認(rèn)識(shí)仍不夠充分。本文從該過(guò)程涉及到的罐體金屬材料性能高溫退化及在非均勻壁溫分布下的應(yīng)力響應(yīng)等問(wèn)題入手,對(duì)儲(chǔ)罐在高溫和高壓作用下的開(kāi)裂行為進(jìn)行研究,主要工作和結(jié)論如下:(1)基于工程分析軟件FLUENT和ABAQUS建立了描述液化氣體儲(chǔ)罐熱響應(yīng)和固體力學(xué)響應(yīng)過(guò)程的計(jì)算模型,熱響應(yīng)模型包括儲(chǔ)罐壁面固體內(nèi)部傳熱、儲(chǔ)罐壁面與罐內(nèi)介質(zhì)之間傳熱以及罐內(nèi)介質(zhì)之間的相變傳質(zhì)等問(wèn)題的求解;固體力學(xué)響應(yīng)模型包括高溫高壓下儲(chǔ)罐的應(yīng)力響應(yīng)以及裂紋擴(kuò)展過(guò)程的求解。(2)通過(guò)對(duì)儲(chǔ)罐受熱過(guò)程的流體力學(xué)模擬,研究了火災(zāi)環(huán)境下儲(chǔ)罐內(nèi)丙烷介質(zhì)和儲(chǔ)罐壁面的熱響應(yīng)行為,獲得了火災(zāi)影響下罐內(nèi)壓力的上升規(guī)律,揭示了儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)和儲(chǔ)罐壁面溫度的不均勻分布特征。結(jié)果表明:儲(chǔ)罐單側(cè)受熱條件下,罐內(nèi)液相介質(zhì)能形成較強(qiáng)的自然對(duì)流,溫度分層不明顯;氣相壁面溫度遠(yuǎn)高于液相壁面,受此影響氣相空間形成明顯溫度分層,最高壁溫出現(xiàn)在儲(chǔ)罐頂部且分布不均;不受火焰加熱的氣相區(qū)域儲(chǔ)罐壁溫與液相壁溫相近。(3)應(yīng)用擴(kuò)展有限元方法對(duì)固體壁面的開(kāi)裂行為進(jìn)行了力學(xué)仿真,通過(guò)對(duì)裂尖應(yīng)力場(chǎng)和塑性變形場(chǎng)的分析,揭示了不均勻壁溫條件下初始裂紋的擴(kuò)展行為特征,結(jié)合儲(chǔ)罐的熱響應(yīng)結(jié)果,論證了Birk 04-6實(shí)驗(yàn)局部開(kāi)裂和04-1實(shí)驗(yàn)整體開(kāi)裂的原因,三維儲(chǔ)罐裂紋的擴(kuò)展過(guò)程數(shù)值模擬結(jié)果與Birk實(shí)驗(yàn)最終裂紋形態(tài)吻合較好。結(jié)果表明,裂紋擴(kuò)展受儲(chǔ)罐頂部壁面溫度分布影響較大:在04-6實(shí)驗(yàn)中由于頂部壁溫峰值較高,導(dǎo)致儲(chǔ)罐在較低壓力下產(chǎn)生初始裂紋,而由于頂部壁溫沿軸向差異較大導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展受限,僅形成局部裂口;04-1實(shí)驗(yàn)受風(fēng)力影響頂部壁溫相對(duì)較低,因此安全閥先開(kāi)啟,而隨著介質(zhì)的不斷噴射損失,氣相壁溫整體升高,最終在形成裂口后迅速擴(kuò)展直至整體開(kāi)裂。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TE65;TQ053.2

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本文編號(hào)：2786188