液氮儲(chǔ)罐海上搖擺工況動(dòng)態(tài)仿真

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

傾斜搖擺的海上環(huán)境不同于相對(duì)靜止的陸上環(huán)境，液氮在儲(chǔ)罐內(nèi)的氣液兩相自由液面搖晃行為對(duì)液氮儲(chǔ)罐的影響需要重點(diǎn)關(guān)注。目前對(duì)海上液化系統(tǒng)研究的集中在對(duì)液化天然氣制取工藝流程及部件的分析方面。已有的研究集中在分析晃動(dòng)對(duì)各種天然氣液化流程的影響[1-2]；建立丙烷預(yù)冷雙氮膨脹中試實(shí)驗(yàn)裝置，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證其建立的動(dòng)態(tài)仿真模型的準(zhǔn)確性[3]；對(duì)氣液分離器、再沸器及三相分離器等易受海上搖晃環(huán)境影響的重要部件進(jìn)行數(shù)值模擬研究[4-6]；通過(guò)縱蕩和橫搖試驗(yàn)驗(yàn)證所建立的小型天然氣液化裝置的抗晃能力[7]；針對(duì)液態(tài)儲(chǔ)罐部件的研究方面，采用VOF方法對(duì)LNG儲(chǔ)罐中液體晃蕩進(jìn)行數(shù)值模擬，分析充裝率、防波板等因素對(duì)晃蕩過(guò)程的影響[8]；針對(duì)LNG在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中的漏熱蒸發(fā)問(wèn)題在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出基于LNG多組分特性和非穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)理論的算法[9]。以上都是針對(duì)LNG的流程及儲(chǔ)罐的海上適應(yīng)性研究，對(duì)液氮儲(chǔ)罐海上適應(yīng)性的研究目前未見(jiàn)報(bào)道。為此，考慮利用計(jì)算流體力學(xué)手段對(duì)液氮儲(chǔ)罐在傾斜搖擺的海上環(huán)境下的自由液面行為進(jìn)行仿真計(jì)算和分析，考察搖擺角度、搖擺周期、液氮儲(chǔ)量、擋板布置和安裝方向等條件的影響，為海上液氮儲(chǔ)罐的工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算模型

1.1 物理模型

選擇儲(chǔ)罐為應(yīng)用最為廣泛的的臥式圓柱形儲(chǔ)罐，兩端采用圓形封頭，該形式可以承受較高壓力和沖擊力。儲(chǔ)罐外徑為1.4 m，圓柱體部分長(zhǎng)度為3 m，兩端封頭深度為0.375 m。該模型總體積為5.4 m3。

1.2 網(wǎng)格劃分

采用FLOW-3D軟件對(duì)液氮儲(chǔ)罐的搖晃狀態(tài)進(jìn)行網(wǎng)格劃分及仿真計(jì)算。為保證液氮儲(chǔ)罐海上搖擺工況動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果可靠，通過(guò)多次試算結(jié)果進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。計(jì)算結(jié)果顯示當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到100 000時(shí)，差值小于0.8%，因此計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)確定為100 000。液氮儲(chǔ)罐模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

圖1 液氮儲(chǔ)罐模型網(wǎng)格劃分

1.3 計(jì)算設(shè)置

1.3.1 控制方程

湍流模型采用RNGk-ε模型。采用VOF方法刻畫(huà)自由液面的波動(dòng)情形。VOF法的基本思想是不追蹤自由界面上的質(zhì)點(diǎn)，而是通過(guò)研究流體體積函數(shù)F來(lái)確定自由界面。在一個(gè)網(wǎng)格單元中，如果被流體完全充滿(mǎn)則F=1，部分充滿(mǎn)則F介于0和1之間，如沒(méi)有流體則F=0。

1.3.2 初始條件與邊界條件

不考慮儲(chǔ)罐漏熱的影響，即儲(chǔ)罐采用絕熱邊界條件。氣相和液相初始溫度為77.35 K，初始?jí)毫?01 kPa。

時(shí)間間隔是影響計(jì)算的很重要的因素， 時(shí)間間隔過(guò)短會(huì)使計(jì)算時(shí)間大幅增加； 間隔過(guò)長(zhǎng)則會(huì)使結(jié)果的顯示不連貫。因此需要根據(jù)計(jì)算模擬情況對(duì)輸出時(shí)間間隔進(jìn)行調(diào)整，使得輸出結(jié)果達(dá)到最連貫的效果，設(shè)定模擬時(shí)間間隔為0.1 s。

1.3.3 仿真工況設(shè)置

為考察液氮儲(chǔ)罐在搖擺角度、搖擺周期、液面高度、儲(chǔ)罐布置方向、擋板設(shè)置的不同工況下儲(chǔ)罐的自由液面行為規(guī)律，定義儲(chǔ)罐長(zhǎng)度方向?yàn)閄方向，寬度方向?yàn)閅方向，高度方向?yàn)閆方向。船體的搖擺按3自由度簡(jiǎn)諧振動(dòng)處理，包括橫搖、縱搖和垂蕩，在非慣性坐標(biāo)系中分別設(shè)定X、Y、Z方向的運(yùn)動(dòng)方程。

θ=Asin(ωt)

(1)

式中：θ為搖擺角位移，rad；A為搖擺振幅，rad；ω為搖擺頻率,Hz。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 搖擺角度

不同搖擺角度(5°，15°，45°，搖擺周期10 s，液位70%)，液氮儲(chǔ)罐內(nèi)部搖晃情況見(jiàn)圖2，從圖2中可以看出隨著搖晃幅度的增加，液氮能夠完全充滿(mǎn)封頭，對(duì)液氮儲(chǔ)罐的沖擊增加，這種狀況對(duì)液氮儲(chǔ)罐的接管位置提出了一定要求。

圖2 不同搖擺角度下液氮儲(chǔ)罐液面狀態(tài)

計(jì)算不同搖擺角度狀態(tài)下的平均液體動(dòng)能發(fā)現(xiàn)隨著晃蕩幅度的增加，液面波動(dòng)越來(lái)越劇烈。當(dāng)搖擺角度超過(guò)15°，液氮能夠完全充滿(mǎn)封頭，而且液氮的平均動(dòng)能達(dá)到0.1 kJ/kg以上，對(duì)液氮儲(chǔ)罐的沖擊增加，沖擊壓力達(dá)到15 kPa。因此在液氮儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮液氮沖擊對(duì)液氮進(jìn)出管道和其他工藝接管的影響，在強(qiáng)度計(jì)算中需要考慮沖擊力。當(dāng)艦船搖擺角度達(dá)到45°時(shí)，液氮的動(dòng)能急劇增加，此時(shí)應(yīng)該緊急排放液氮，保證液氮儲(chǔ)罐系統(tǒng)安全。

2.2 搖擺周期

不同搖擺周期下(1 s，5 s，10 s，搖擺角度5°，液位70%)，液氮儲(chǔ)罐內(nèi)部搖晃情況見(jiàn)圖3。搖擺周期為1 s時(shí)液氮波形的變化劇烈，在橫蕩運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,容器內(nèi)的液體受到容器豎直壁的作用發(fā)生晃蕩,出現(xiàn)的波形主要為行波和水躍波。搖擺周期在5 s以上時(shí)，液氮波動(dòng)越來(lái)越平穩(wěn)。晃蕩幅度的增大會(huì)引起最大波高的增大，在充滿(mǎn)度較高時(shí)，由于液艙的高度一定，液體已經(jīng)接觸到了艙頂，液體的升高高度取決于液艙頂端的空余高度。因此在裝載液體時(shí)，需要考慮液體在液艙的晃蕩程度，盡量選擇合適的充滿(mǎn)度。

2.3 液氮液位

不同液氮液位下(10%、50%、90%，搖擺角度5°，搖擺周期10 s)，液氮儲(chǔ)罐內(nèi)部搖晃情況見(jiàn)圖4。

圖4 不同液氮液位下液氮儲(chǔ)罐液面狀態(tài)

在低充滿(mǎn)度的情況下，波形出現(xiàn)了明顯的行波和水躍，并且波形在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，較大的動(dòng)壓主要發(fā)生在液面處；在高充滿(mǎn)度的情況下，則出現(xiàn)的波形是駐波，液面變化比較平緩，較大的沖擊主要發(fā)生在液艙平面的結(jié)合處,對(duì)其結(jié)構(gòu)造成了很大的破壞。這主要是因?yàn)樵诘鸵何粫r(shí)，橫搖周期與共振周期相近，發(fā)生了水躍。水躍對(duì)液艙壁沖擊非常大，其水頭具有很高的動(dòng)能，在沖擊艙壁的一瞬間還會(huì)夾帶一定的氣體,可能給液艙結(jié)構(gòu)造成沖擊。在高充滿(mǎn)度下，出現(xiàn)的駐波則主要對(duì)液艙頂部造成沖擊。

2.4 擋板設(shè)置

為了緩解容器中液體的晃蕩問(wèn)題，目前較常用的措施是在容器內(nèi)部加設(shè)一定的擋板內(nèi)件。對(duì)所選尺寸的液體容器，擋板數(shù)量一般設(shè)置1至2個(gè)。設(shè)置1個(gè)擋板時(shí)擋板位于液氮儲(chǔ)罐長(zhǎng)度方向中心位置，設(shè)置2個(gè)擋板時(shí)擋板位于液氮儲(chǔ)罐長(zhǎng)度約1/3及2/3處。不同擋板數(shù)量(1或2個(gè)，搖擺角度5°，搖擺周期10 s，擋板高度為70%)，液氮儲(chǔ)罐內(nèi)液氮速度矢量見(jiàn)圖5。

圖5 不同擋板數(shù)量下液氮速度矢量

可以看出在波形變化方面，加設(shè)擋板明顯降低了波形的起伏高度，但是擋板的設(shè)置在一定程度上增加了液體新的沖擊位置，導(dǎo)致氣體轉(zhuǎn)成液體。從能量角度分析，擋板的作用機(jī)理主要是消耗了一定的液體能量，使得液體能量得到降低，從而晃蕩減小。

2.5 安裝方向

液氮儲(chǔ)罐寬1 900 mm，長(zhǎng)5 000 mm，二者相差比較大，需要了解液氮儲(chǔ)罐在不同方向上搖晃特性，盡量減少搖擺對(duì)液氮儲(chǔ)存的影響。為便于描述，液氮儲(chǔ)罐的長(zhǎng)度方向定義為橫向搖擺，寬度方向定義為縱向搖擺。液氮儲(chǔ)罐在橫向及縱向搖擺時(shí)(搖擺周期1 s，搖擺角度5°，液面70%)液面狀態(tài)見(jiàn)圖6，液體平均動(dòng)能變化見(jiàn)圖7。

圖6 搖擺方向下液氮儲(chǔ)罐液面狀態(tài)

圖7 液氮儲(chǔ)罐在橫向及縱向搖擺下液體平均動(dòng)能變化

比較發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐橫向搖擺的液體平均動(dòng)能比縱向搖擺高約20%，因此液氮儲(chǔ)罐在海上應(yīng)盡量避免在其長(zhǎng)度方向進(jìn)行劇烈搖擺。

3 結(jié)論

1)液面波動(dòng)隨晃蕩幅度增加而變劇烈，故在液氮儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮液氮沖擊對(duì)液氮進(jìn)出管道和其他工藝接管的影響，在強(qiáng)度計(jì)算中需要考慮沖擊力。

2)相對(duì)于搖擺角度，搖擺周期對(duì)液氮儲(chǔ)罐的影響更大。搖擺周期為1 s時(shí)，液氮震蕩出現(xiàn)破碎泡沫。當(dāng)搖擺周期大于5 s時(shí)，液氮表面非常平穩(wěn)，波動(dòng)較弱。大型船舶搖擺周期一般大于10 s，可以使液氮在一般情況下處于安全波動(dòng)狀況。

3)液氮儲(chǔ)存量較低時(shí)，液氮表面出現(xiàn)了明顯的行波和水躍,會(huì)對(duì)儲(chǔ)罐封頭形成一定沖擊，單位液體平均動(dòng)能較高，當(dāng)液氮液位超過(guò)50%時(shí)，液面變化比較平緩，液氮能量可以忽略不計(jì)。因此從安全角度考慮，建議液氮儲(chǔ)罐在長(zhǎng)期使用過(guò)程中液位保持在50%以上。

4)擋板可以消耗一定的液體能量,使得液體能量得到降低,從而抑制晃蕩。在波形變化方面,加設(shè)擋板明顯降低了波形的起伏高度。

5)儲(chǔ)罐橫向搖擺的液體平均動(dòng)能比縱向搖擺高約20%，因此建議液氮儲(chǔ)罐的安裝方向(長(zhǎng)度方向)盡量與船舶長(zhǎng)度方向保持一致，以盡量減少海上搖晃引起的液體動(dòng)能增加。