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基于非平衡热力学的LPG储罐热响应模拟研究

作　者: 赵博
导　师: 毕明树
学　校: 大连理工大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 液化气储罐热响应数值模拟
分类号: TE88
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

液化气(LPG)作为一种清洁燃料,广泛应用于工业生产和日常生活。然而液化气(LPG)储罐破裂和爆炸事故时有发生。对液化气储罐在受热环境下的热响应进行研究,进而提出预防和控制液化气储罐事故策略具有重要意义。多年来,研究人员对火灾环境下的储罐热响应进行过大量的实验研究和数值模拟工作,但由于过程的复杂性和危险性,其实验和理论分析的难度甚大,至今仍是学术界的热点问题。液化气储罐受热爆炸,从热力学角度分析是热源、储罐壁、介质之间的传热导致介质分层、翻滚、爆沸,致使压力急剧上升的问题,从力学角度分析是储罐壁受热后,材料强度急剧下降的问题,两者之间存在耦合关系。从非平衡态热力学角度分析储罐的热响应是一个非平衡态体系。储罐受热引起内部温度分布不均匀,热传导和汽-液相变是非平衡态不可逆过程。汽-液相变过程是在热力学力的驱动下产生热力学流实现的。根据非平衡态热力学理论,流和力之间的唯象关系反映了相变换热的程度。本文拟解决的关键科学问题是液化气爆沸过程非平衡热力学模型和储罐内液化气爆沸和储罐壁温分布的耦合模型。主要工作和结论如下：(1)以液化气储罐为研究对象,建立了在热侵袭环境下的储罐热响应的物理模型和数学模型。采用RNG k-ε湍流模型和MIXTURE多相流模型进行数值模拟,基于非平衡态热力学理论编译用户自定义函数(UDF)处理储罐热响应过程中的汽-液相变问题。(2)应用FLUENT软件对液化气储罐处于热侵袭环境下的压力和介质温度的热响应过程进行了数值模拟,分析了热流密度、受热位置、充装率、储罐材料等因素对储罐内介质压力场、温度场、密度场以及罐壁温度分布的影响。与实验结果比较,计算结果的偏差不大于10%。数值模拟结果表明,随着充装率的增大,储罐内介质的压力上升速率增大,而温度上升速率减小,径向温度梯度维持的时间缩短,而轴向热分层现象维持的时间增长。随着热流密度的增大,储罐介质的温度上升速率、压力上升速率和储罐壁温的上升速率均增大,径向温度梯度和轴向温度分层现象维持的时间增长；随着储罐材料导热系数的增大,升压速率增大而壁面温度减小。储罐局部受热时,侧壁受热与底部受热相比,侧壁受热时,储罐更容易失效；储罐的失效时间随着热流密度和充装率的增大而缩短。本文的创新点如下：应用非平衡热力学理论实现储罐受热后介质的汽-液相变换热过程。用唯象系数分析储罐内部热响应的强度。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
引言  10-12
1 文献综述  12-25
  1.1 LPG的危险性  12-13
  1.2 LPG储罐的典型危险事故  13
  1.3 LPG的应用及前景  13-14
  1.4 BLEVE机理和危害研究  14-16
  1.5 储罐热响应理论  16-18
  1.6 非平衡态热力学理论的应用  18-19
  1.7 试验研究  19-21
  1.8 模拟研究  21-23
  1.9 主要研究内容和方法  23-25
2 LPG储罐热响应模型及计算方法  25-36
  2.1 LPG储罐热响应的非平衡态热力学分析  25-26
  2.2 LPG储罐热响应物理模型  26-27
  2.3 LPG储罐热响应数学模型  27-29
    2.3.1 连续性方程  27
    2.3.2 动量方程  27-28
    2.3.3 能量方程  28-29
    2.3.4 熵产率方程  29
  2.4 液相核化模型  29-30
  2.5 多相流模型  30-33
  2.6 湍流模型  33-34
  2.7 壁面函数和近壁面模型  34-35
  2.8 本章小结  35-36
3 LPG储罐热响应数值模拟  36-50
  3.1 LPG储罐受热条件下的热响应  36-49
    3.1.1 模型及网格划分  36-37
    3.1.2 物性参数  37-38
    3.1.3 边界条件  38-39
    3.1.4 模型设置  39
    3.1.5 计算结果有效性验证  39-42
    3.1.6 温度热响应分析  42-47
    3.1.7 流场分析  47-48
    3.1.8 唯象系数分析  48-49
  3.2 本章小结  49-50
4 LPG储罐热响应的影响因素分析  50-69
  4.1 充装率对储罐热响应的影响  50-52
    4.1.1 充装率对介质温度热响应的影响  50-51
    4.1.2 充装率对内部压力热响应的影响  51-52
    4.1.3 充装率对唯象系数的影响  52
  4.2 热流密度对储罐热响应的影响  52-55
    4.2.1 热流密度对介质温度热响应的影响  53
    4.2.2 热流密度对储罐壁温度热响应的影响  53-54
    4.2.3 热流密度对内部压力热响应的影响  54-55
    4.2.4 热流密度对唯象系数的影响  55
  4.3 受热位置对储罐热响应的影响  55-58
    4.3.1 受热位置对介质温度热响应的影响  56
    4.3.2 受热位置对内部压力热响应的影响  56-57
    4.3.3 受热位置对唯象系数的影响  57-58
  4.4 储罐温度热分层时间的研究  58-66
    4.4.1 热流密度对径向温度梯度时间的影响  58-61
    4.4.2 充装率对径向温度梯度时间的影响  61-62
    4.4.3 热流密度对温度热分层时间的影响  62-64
    4.4.4 充装率对温度热分层时间的影响  64-66
  4.5 储罐材料导热系数对储罐热响应的影响  66-67
    4.5.1 储罐材料导热系数对壁温热响应的影响  66-67
    4.5.2 储罐材料导热系数对内部压力热响应的影响  67
  4.6 本章小结  67-69
5 LPG储罐的失效模型及失效分析  69-75
  5.1 储罐的失效模型  69-70
  5.2 LPG储罐失效的影响因素分析  70-74
    5.2.1 受热位置对储罐失效的影响  70-71
    5.2.2 热流密度对储罐失效的影响  71-72
    5.2.3 充装率对储罐失效的影响  72-74
  5.3 本章小结  74-75
结论  75-76
参考文献  76-80
附录A 符号说明  80-83
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  83-84
致谢  84-85

基于非平衡热力学的LPG储罐热响应模拟研究

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