熱環(huán)境下液化氣體儲罐熱質(zhì)耦合響應機制研究.pdf

1、液化氣體通常有加壓液化和低溫液化兩種液化方式，對應地，液化氣體儲罐有常溫儲罐（如液化石油氣）和低溫儲罐（如液化天然氣）兩種形式。無論哪種形式，當其受到外界熱環(huán)境侵襲時均有超壓失效的危險，而一旦儲罐破裂，還有可能發(fā)生沸騰液體擴展蒸氣爆炸，此類事故在國內(nèi)外常有發(fā)生。本文認為，盡管不同的液化氣體儲罐發(fā)生事故的模式有所不同，但是從物理問題的角度來看，都是熱環(huán)境、儲罐壁與內(nèi)部介質(zhì)之間的傳熱與介質(zhì)內(nèi)部的傳質(zhì)耦合作用的結(jié)果。現(xiàn)有研究工作表明液化氣體儲

2、罐受到外部熱環(huán)境侵襲時，罐內(nèi)介質(zhì)往往會產(chǎn)生溫度分層，而液化氣體的溫度分層直接決定了儲罐的能量儲存和壓力上升速率，這將進一步影響儲罐的安全。因此研究液化氣體儲罐在熱環(huán)境下的響應規(guī)律對提出儲罐安全運行策略和事故預防措施具有現(xiàn)實指導意義。鑒于此，本文主要開展了以下幾方面的研究工作：
　?、糯罱肆⑹綀A柱形儲罐受熱實驗臺，進行了液化氣體儲罐電加熱模擬實驗，研究了典型的儲罐響應規(guī)律，即內(nèi)部介質(zhì)的升溫升壓規(guī)律和儲罐壁面的升溫規(guī)律。實驗結(jié)果表明

3、液化氣體儲罐對熱環(huán)境的響應呈現(xiàn)分區(qū)和分階段特征。通過分析實驗規(guī)律，提出了液化氣體儲罐熱質(zhì)耦合響應過程的物理模型，包括熱環(huán)境、儲罐壁與內(nèi)部介質(zhì)之間的傳熱耦合模型和儲罐傳熱與罐內(nèi)液化氣體傳質(zhì)的耦合模型。
　?、圃诖嘶A上，建立了耦合求解儲罐壁面固體傳熱區(qū)和罐內(nèi)介質(zhì)氣液兩相傳熱傳質(zhì)區(qū)的多區(qū)多相場數(shù)值計算模型，并依據(jù)儲罐受熱實驗結(jié)果驗證了模型的可靠性。通過數(shù)值模擬，研究了儲罐熱質(zhì)耦合響應過程的流體動力學和傳熱傳質(zhì)學機理，揭示了溫度分層演化

4、過程中的流場特征以及溫度分層和分層消除對儲罐傳熱過程的影響。結(jié)果顯示，溫度分層消除以后，壁面的傳熱方式由單相對流轉(zhuǎn)變?yōu)榉序v對流。
　?、峭ㄟ^數(shù)值試驗，考察了外部火災條件對儲罐壓力、介質(zhì)溫度和儲罐壁溫的影響。結(jié)果表明:外部熱環(huán)境的對流強度較高時，儲罐的壁溫和壓力上升速率較快，但是由于分層程度較高，介質(zhì)的整體過熱度較低，儲罐破裂后爆沸的程度也較低;火焰包圍程度較低時，儲罐容易首先形成有限裂口，而后因介質(zhì)爆沸發(fā)生二次破裂;火焰溫度較高時