錢(qián)希鴻,陳 威
(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院,上海 201306)
由于化石燃料的大量使用,大氣和海洋環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重。LNG作為下一代可替代的清潔燃料被大量開(kāi)采利用,需求量不斷攀升的背景下,運(yùn)輸LNG的船舶和儲(chǔ)存設(shè)備也相應(yīng)普及。天然氣為了便于儲(chǔ)存運(yùn)輸被要求冷卻至–162 ℃低溫下,由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的天然氣密度更大,粘性很小。當(dāng)在海上輸運(yùn)時(shí),船舶的晃蕩將帶動(dòng)LNG一起晃蕩,對(duì)于LNG動(dòng)力燃料艙等特殊設(shè)備,隨著槽罐內(nèi)液位的不斷下降,誘發(fā)自由液位的波動(dòng)將更加劇烈,LNG液體對(duì)槽罐壁面的拍打而產(chǎn)生更大的沖擊力。低溫下的LNG與外界環(huán)境的巨大溫差,使漏熱會(huì)更加容易侵入被吸收,LNG受熱相變產(chǎn)生BOG,加之液體的晃蕩,槽罐內(nèi)的熱動(dòng)響應(yīng)會(huì)更加不穩(wěn)定和難以預(yù)測(cè)?;谟?jì)算傳熱學(xué)理論[5],研究其中的內(nèi)在機(jī)理和晃蕩產(chǎn)生的影響,為今后設(shè)計(jì)防范設(shè)備及理論指導(dǎo)做好充足的準(zhǔn)備。
國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于LNG技術(shù)的研究也做了大量的工作。LEE.D.H等[4]通過(guò)數(shù)值模擬研究了不同參數(shù)的敏感性對(duì)于LNG罐體所受載荷的影響,測(cè)試了不同密度、粘度和湍流模型,主要分析的是壓力和水位的變化,數(shù)值模型并沒(méi)有考慮低溫液體和外界漏熱等。Roh S等[1]運(yùn)用數(shù)值模擬理論計(jì)算了LNG儲(chǔ)罐中氣相區(qū)壓力增大時(shí)的瞬態(tài)自然對(duì)流現(xiàn)象,得出氣相區(qū)加壓對(duì)LNG蒸發(fā)的影響等,確定LNG氣相區(qū)壓力的變化對(duì)LNG相變會(huì)有一定的影響。在針對(duì)本文晃蕩的工況下,氣相區(qū)的壓力變化也加以考慮,考慮液相和氣相同時(shí)出現(xiàn)壓力波動(dòng)的案例。LEE.H.B等[2]分析了LNG從儲(chǔ)存艙室中泄漏到多孔保溫棉后的蒸發(fā)相變過(guò)程等。Liu Zhan等[3]考慮不同振幅下低溫液氧儲(chǔ)罐的水動(dòng)力特性,該案例進(jìn)行了一系列數(shù)值模擬,晃蕩的過(guò)程是非絕熱過(guò)程,伴隨有氣體的冷凝過(guò)程等。何曉聰?shù)萚6]運(yùn)用數(shù)值模擬分析了不同晃蕩工況下船用LNG儲(chǔ)罐所受的沖擊力和防波板的作用效果等。儲(chǔ)運(yùn)LNG船舶在航行中受外界環(huán)境影響,儲(chǔ)槽內(nèi)LNG液體出現(xiàn)晃蕩,以及儲(chǔ)槽維護(hù)結(jié)構(gòu)的漏熱,使得儲(chǔ)罐內(nèi)溫度和壓力變化,LNG出現(xiàn)相變,導(dǎo)致LNG的耗損及安全隱患有待進(jìn)一步深入分析。針對(duì)在晃蕩和外界漏熱影響下船舶LNG儲(chǔ)槽熱質(zhì)傳遞過(guò)程,利用氣-液兩相VOF模型,建立描述LNG儲(chǔ)槽熱動(dòng)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,分析在不同外部漏熱、晃蕩幅度和儲(chǔ)槽內(nèi)LNG液位高度下,儲(chǔ)槽內(nèi)LNG損耗及其熱質(zhì)傳遞特性,以及 LNG儲(chǔ)槽內(nèi)自由液面波動(dòng)。
針對(duì)船舶儲(chǔ)存LNG槽所建立的物理模型如圖1所示。儲(chǔ)槽長(zhǎng)3.7 m,直徑為1.2 m,前端和后端都是半圓形封頭。除分析液面高度的影響外,儲(chǔ)槽LNG液面高度選取為0.6 m為研究對(duì)象。圖1為數(shù)值計(jì)算使用的二維截面圖。忽略?xún)?chǔ)槽外部和內(nèi)部布置的一些特別設(shè)備,主要集中分析晃蕩下儲(chǔ)罐內(nèi)部LNG熱動(dòng)響應(yīng)特性。
圖1 船用LNG儲(chǔ)槽二維示意圖Fig. 1 Two-dimensional schematic diagram of a marine LNG storage tank
為了更好地分析流體的狀態(tài),在儲(chǔ)槽內(nèi)部布置了一些壓力檢測(cè)點(diǎn),來(lái)監(jiān)測(cè)一些位置的壓力變化,計(jì)算了壁面上和內(nèi)部液體液面的波動(dòng)情況和壁面上所受到的沖擊力和力矩?;问幹行奈挥谠c(diǎn),初始液位高度是0.6 m占總體積的一半,外部的環(huán)境壓力和溫度分別是101 325 Pa和300 K。
LNG儲(chǔ)槽內(nèi)部自由液面受到外部的搖晃會(huì)發(fā)生移動(dòng)變化,儲(chǔ)槽內(nèi)存在液相和氣相區(qū),利用描述氣-液兩相流動(dòng)的VOF模型,分析在晃蕩和外界漏熱影響下船舶LNG儲(chǔ)槽熱質(zhì)傳遞過(guò)程,建立LNG氣液相的熱動(dòng)響應(yīng)及氣液界面變化的數(shù)學(xué)方程如下:
式中:αl和αv分別為氣相和液相的體積分?jǐn)?shù);Sm為質(zhì)量源相,考慮到LNG達(dá)到飽和溫度之后會(huì)發(fā)生相變,實(shí)際過(guò)程中包含了蒸發(fā)和冷凝,源相作用于整個(gè)流體區(qū)域,相變的影響同時(shí)作用于氣液交界面和儲(chǔ)槽的內(nèi)壁面上。該相變模型采用的是LEE Model,如下式:
式中,rl和rv分別為傳質(zhì)強(qiáng)度因子,具體數(shù)值按不同的實(shí)驗(yàn)值來(lái)對(duì)照,本文選取0.1。
由于考慮了靜壓力的影響,LNG飽和溫度也會(huì)發(fā)生響應(yīng)的變化,其中的變化關(guān)系式,LNG飽和溫度和飽和壓力的擬合函數(shù)關(guān)系是如下:
方程中加入了重力項(xiàng)和外部激勵(lì)項(xiàng),具體的表達(dá)式如下:
能量方程:
能量源相等于總的傳質(zhì)量乘以汽化潛熱:
船舶在海上受到波浪的搖晃轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)罐壁面上的外部激勵(lì)。用簡(jiǎn)諧函數(shù)表示為:
式中:A為晃蕩的幅度;T為周期;t為晃蕩時(shí)間。旋轉(zhuǎn)中心位于儲(chǔ)槽的中心上,旋轉(zhuǎn)軸是Y軸,該晃蕩激勵(lì)方程通過(guò)自定義函數(shù)接口導(dǎo)入到模型中。
四周壁面的受熱邊界條件為:
與文獻(xiàn)[7]試驗(yàn)所測(cè)量的壓力值變化相對(duì)照,計(jì)算氣相區(qū)壓力隨時(shí)間的變化曲線??梢钥闯鲆何辉谝欢〞r(shí),數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)趨于一致,儲(chǔ)罐中劃分的網(wǎng)格數(shù)為32 740,圖2為液相區(qū)的靜壓力云圖,最大的靜壓力結(jié)果為724 Pa,與理論上的靜壓力734 Pa偏差1.4%。由數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)照可見(jiàn),本文所建立的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值分析方法正確,其結(jié)果是可信的。本文VOF模型、相變傳質(zhì)模型(LEE Model)和k-?湍流模型,離散的格式采用的是2階精度的離散格式,保證計(jì)算結(jié)果的精度,動(dòng)量項(xiàng)和能量項(xiàng)都采用2階迎風(fēng)格式,壓力速度耦合算法采用SIMPLEC算法,殘差值低于10–6。
圖2 晃蕩條儲(chǔ)槽內(nèi)LNG壓力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對(duì)照[7]Fig. 2 Calculation result of LNG pressure in sloshing tank and comparison with test
LNG儲(chǔ)槽存在氣體空間時(shí)發(fā)生晃蕩工況,低溫液體與氣相區(qū)的內(nèi)界面會(huì)誘發(fā)連續(xù)的波動(dòng),本文采取VOF算法計(jì)算并捕捉液體表面的形狀,為了深入分析波動(dòng)的變化規(guī)律,實(shí)驗(yàn)中以氣液分界面即整個(gè)變化的自由液面為檢測(cè)面,得出圖3中4幅(每幅代表一個(gè)晃蕩周期)液面抬升的變化曲線圖。自由液面的晃蕩波動(dòng)曲線形狀在初始液位來(lái)回上下變化,左壁面上液位抬升峰值達(dá)到0.05 m。從圖3(a)可以發(fā)現(xiàn),在–0.2~0 m和0~0.2 m處都出現(xiàn)一個(gè)波峰,是由于晃蕩動(dòng)能的傳遞產(chǎn)生的,從4.2~4.6 s,動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在右側(cè)最高,隨著時(shí)間的推移,波峰向左側(cè)移動(dòng)。當(dāng)波峰到達(dá)左側(cè)時(shí),又隨著晃蕩向右側(cè)推動(dòng),自由液面在第1個(gè)周期如此往復(fù)來(lái)回運(yùn)動(dòng)。從圖3(b)可知,在第2個(gè)周期中,自由液面即存在波峰,有出現(xiàn)了波谷。隨著晃動(dòng)能量傳遞,帶動(dòng)了液體更多的顛簸起伏。圖3(c)和圖3(d)中所示,內(nèi)界面中的變化又與第1個(gè)周期中的類(lèi)似,可知液體液體吸收了晃動(dòng)能量之后逐漸趨向穩(wěn)定了。
圖3 在晃蕩條件下儲(chǔ)槽內(nèi)LNG不同時(shí)間的液面高度Fig. 3 Liquid level of LNG in storage tank at different times under sloshing conditions
原因是剛開(kāi)始儲(chǔ)槽晃蕩帶動(dòng)液體時(shí),液體處于靜止?fàn)顟B(tài),沒(méi)有動(dòng)能,液體存在一定的慣性。當(dāng)LNG各部分液體全部吸收完外部的晃蕩能量后,液體在初始液面上下波動(dòng)呈現(xiàn)有規(guī)律的周期性變化。從液面的抬升曲線可以發(fā)現(xiàn),越靠近中間,液體的波動(dòng)峰值就越小,是因?yàn)橐徊糠忠后w吸收晃動(dòng)能被晃動(dòng)到罐子壁面的兩側(cè)。
圖4分別檢測(cè)的是LNG儲(chǔ)槽內(nèi)氣相區(qū)和液相區(qū)溫度隨時(shí)間變化的過(guò)程,氣相區(qū)的初始溫度為134 K,液相區(qū)的初始溫度為112 K,液體的過(guò)冷度為25 ℃左右,氣相區(qū)的絕對(duì)壓力是0.5 MPa,氣相區(qū)為飽和的天然氣,液相區(qū)為過(guò)冷的液化天然氣,由于受到外部晃蕩環(huán)境的作用,自由液面向左向右不斷波動(dòng),氣態(tài)的天然氣溫度從0 ~18 s不斷下降,下降到115 K左右,最終將接近液體的溫度。由于液體的擾動(dòng)將帶動(dòng)氣相區(qū)的混亂,一開(kāi)始在氣液交界面處不斷從氣相區(qū)吸收熱量,隨著液位在左右兩側(cè)上下抬升,左右兩側(cè)氣液之間的熱交換明顯大于中部的液體。氣相區(qū)的溫度從灌頂?shù)阶杂梢好嫣幾陨隙虏粩嘞陆?,液體中的冷量從自由分界面逐漸擴(kuò)散到頂部,最終達(dá)到溫度均勻。從圖4 可知,液相區(qū)中自由表面附近的液體由于吸收了氣相區(qū)中的熱量,溫度略有回升,大概在1°左右。由于外部的激勵(lì),儲(chǔ)槽中的LNG從靜止突然變?yōu)檫\(yùn)動(dòng),會(huì)存在慣性作用。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間之后,LNG儲(chǔ)槽內(nèi)的物理量變化將達(dá)到穩(wěn)定。溫度氣相區(qū)的溫度從134 K經(jīng)過(guò)18 s降到112 K,下降速率為1.2 K/s?;谏鲜龅姆治雒枋?,LNG儲(chǔ)槽內(nèi)液體在海上的晃蕩過(guò)程是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化的,實(shí)際過(guò)程中遠(yuǎn)比本案例中的要更加復(fù)雜多變。通過(guò)本文的調(diào)查研究,可以為實(shí)際工程問(wèn)題提供一些有價(jià)值的理論指導(dǎo)。
圖4 不同時(shí)刻下的溫度云圖Fig. 4 Temperature contours at different times
海上船舶LNG燃料儲(chǔ)存艙由于操作失誤、惡劣的海況或艙壁材料受損等原因,受到外部熱量侵入的影響,而且要考慮LNG儲(chǔ)槽受到連續(xù)晃蕩的情況。為了便于研究,假設(shè)外界不同量的漏熱傳遞給LNG,近似表示成在不同的對(duì)流換熱系數(shù)作為艙壁的邊界條件。儲(chǔ)槽晃蕩的振幅1°,周期為2.5 s,充液量為50%,數(shù)值模擬了在2.5 w/km2,5.0 w/km2,7.0 w/km2及10.0 w/km2條件下,LNG汽化成BOG后氣相區(qū)壓力隨時(shí)間的變化,如圖5所示。經(jīng)過(guò)20 s之后,蒸發(fā)量在前10 s會(huì)逐漸上升后趨于平穩(wěn),氣相區(qū)壓力也隨之穩(wěn)定?;问幍腖NG儲(chǔ)存艙所受到的外部漏熱越大,相同時(shí)間內(nèi)氣相區(qū)的壓力上升速度和最終壓力也越大,導(dǎo)致的蒸發(fā)損耗量也越大。
圖5 不同對(duì)流換熱系數(shù)下氣相區(qū)壓力隨時(shí)間的變化Fig. 5 Variation of pressure in the gas-phase region over time with different convective heat transfer coefficients
在外部漏熱作用下,低溫儲(chǔ)槽罐體內(nèi)部流體溫度,壓力會(huì)逐漸升高,氣液界面也會(huì)隨之發(fā)生傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象,考慮到氣液界面間的熱質(zhì)傳遞主要為熱對(duì)流引起的,相變模型采用軟件中的LEE Model。當(dāng)氣液界面發(fā)生質(zhì)量轉(zhuǎn)移的時(shí)候,能量也隨之轉(zhuǎn)移,其轉(zhuǎn)移總能量為傳質(zhì)率乘以汽化潛熱。
晃蕩過(guò)程中低溫LNG儲(chǔ)罐的壓力增加對(duì)比,觀察壓力增速變化,不難發(fā)現(xiàn),由于外部漏熱加熱波動(dòng)的液相,用于使其消除過(guò)冷度上升,對(duì)壓力增加作用不大,所以氣相區(qū)受外部漏熱更加敏感。另外,對(duì)于罐體內(nèi)部產(chǎn)生相變的情況,剛開(kāi)始的時(shí)間,罐體的壓力增加主要來(lái)源于外部漏熱對(duì)氣相區(qū)的直接加熱。壓力上升曲線并不是完全線性的,可看出罐體壓增速率是變化的,主要由于外部漏熱導(dǎo)入罐體內(nèi)后的分布不均所致,外部漏熱進(jìn)入罐體后,一部分熱量會(huì)用來(lái)加熱液相區(qū)或氣相區(qū),貢獻(xiàn)給壓力增加,另一部分熱量會(huì)被轉(zhuǎn)移到氣液界面用于產(chǎn)生氣液相變。罐體氣液界面蒸發(fā)量?jī)H占罐內(nèi)液體初始質(zhì)量的一小部分,所以說(shuō)在剛開(kāi)始的階段,由相變量帶來(lái)的壓力增加極其微弱,罐體壓增主要還是由于外部漏熱直接加熱所致。
罐體內(nèi)LNG受到靜壓力的影響,表面的液體壓力小對(duì)應(yīng)的飽和溫度小,底部的液體壓力大對(duì)應(yīng)的飽和溫度大,整個(gè)計(jì)算域初始溫度設(shè)置成表面的飽和溫度111.6 k,LNG表面先達(dá)到相變點(diǎn),底部液體還存在一定的過(guò)冷度。當(dāng)船舶在海上發(fā)生左右搖擺時(shí),考慮到晃蕩效應(yīng)的不穩(wěn)定性,LNG燃料儲(chǔ)存艙中的液體液面也會(huì)隨之移動(dòng)變化,內(nèi)部液體會(huì)強(qiáng)迫對(duì)流,加快了液體內(nèi)部的熱交換。
在雙燃料船舶中,以LNG燃料動(dòng)力儲(chǔ)槽為研究對(duì)象,同時(shí)考慮晃蕩效應(yīng)和溫差效應(yīng),在兩效應(yīng)耦合的作用下,探究LNG儲(chǔ)存艙中相變率的變化情況和流動(dòng)狀況。
船舶在海上航行時(shí)會(huì)受到不同振幅的波浪影響,LNG燃料動(dòng)力儲(chǔ)槽也會(huì)引起不同振幅的晃蕩,從圖6發(fā)現(xiàn),在晃蕩情況下,隨著振幅的增加,LNG自由液面變化越明顯,波動(dòng)也越劇烈,很不穩(wěn)定。在0~20 s之間,隨著振幅的增加,冷凝量和氣相區(qū)的冷卻會(huì)增加,氣相區(qū)壓力降增加,不同振幅之間區(qū)分得越明顯,而隨著時(shí)間的增加,曲線越來(lái)越趨于穩(wěn)定。船舶在靜止或晃動(dòng)很輕微時(shí),LNG燃料儲(chǔ)存艙中,受到外部漏熱的作用,導(dǎo)熱和自然對(duì)流占主導(dǎo),而船舶存在晃蕩效應(yīng)后,不僅存在導(dǎo)熱和自然對(duì)流,而且還有強(qiáng)迫對(duì)流。在這種混合效果下,內(nèi)部液體中的顯熱會(huì)加快吸收,使內(nèi)部流體的熱量更加均勻,儲(chǔ)存艙中LNG的相變量會(huì)隨著晃蕩強(qiáng)度上升表現(xiàn)出不穩(wěn)定的特性,尤其在前期0~20 s之間,當(dāng)外部的熱量全部傳化為L(zhǎng)NG的汽化潛熱時(shí),LNG的氣化量逐漸穩(wěn)定。
圖6 壓力分別在 A=0.5°(a),A=1°(b),A=2°(c)下不同時(shí)刻的壓力云圖Fig. 6 Pressure cloud diagrams at different moments of pressure at A = 0.5 °(a),A = 1 °(b) and A = 2°(c)
從圖7可知,船舶晃蕩幅度越大,LNG儲(chǔ)槽內(nèi)冷凝量就大,LNG的氣相區(qū)壓力下降也越明顯,晃蕩幅度為2°時(shí),持續(xù)20 s時(shí)間,LNG氣相區(qū)壓力從500 kPa減少到150.7 kPa,減少了349.3 Pa,平均的氣相區(qū)壓力下降為17 465 Pa/s,而振幅1°時(shí),平均的氣相區(qū)壓力下降為16 190 Pa/s,振幅0.5°時(shí),平均的氣相區(qū)壓力下降為14 960 Pa/s。從圖7也可以發(fā)現(xiàn),晃蕩的振幅會(huì)加強(qiáng)LNG儲(chǔ)罐中氣相區(qū)和液相區(qū)的換熱效果從而增加蒸發(fā)速率。
圖7 不同振幅下氣相區(qū)壓力和平均溫度隨時(shí)間的變化Fig. 7 Variations of pressure and average temperature in the gas phase region with time at different amplitudes
考慮到在實(shí)際工況下,LNG燃料會(huì)隨時(shí)被消耗,儲(chǔ)槽會(huì)存在不同的載液量,本文設(shè)置了3種不同的液相體積分?jǐn)?shù),分別為25%,50%和75%。在外部晃蕩激勵(lì)條件和散熱條件不變的情況下,圖8為不同LNG體積分?jǐn)?shù)下,晃蕩的儲(chǔ)罐中氣相區(qū)壓力隨時(shí)間的變化曲線。初始時(shí)儲(chǔ)罐中的壓力為500 kPa,液體的溫度為112 K,液體存在25 K左右的初始過(guò)冷度。隨著外部激勵(lì)施加在罐壁面后,罐中的液體會(huì)左右搖動(dòng),發(fā)生晃蕩。罐中的氣液交界面傾斜后相較于靜止時(shí)的交界面,過(guò)冷液體和過(guò)熱氣體接觸的面積更大,這將導(dǎo)致高溫的氣相區(qū)會(huì)得到很大的冷量而被冷卻。從圖8所示3種不同罐中液位水平,氣相區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力變化,可以很容易發(fā)現(xiàn)在不同的充液水平下氣相區(qū)壓力隨時(shí)間近似線性的下降。而且,對(duì)于一個(gè)更高的液位工況,更多的冷量被儲(chǔ)存在液體中,因此氣相區(qū)別冷卻的更加明顯。在相同的初始?xì)庀鄥^(qū)壓力中,液位越高,氣相區(qū)壓力下降的越多。對(duì)于本研究,25%的充液工況下氣相區(qū)壓力從500 kPa下降到219.8 kPa,壓力下降率為14 010 Pa/s。50%的充液工況下氣相區(qū)壓力從500 kPa下降到176.2 kPa,壓力下降率為16 190 Pa/s。75%的充液工況下氣相區(qū)壓力從500 kPa下降到109 kPa,壓力下降率為19 550 Pa/s。
圖8 不同充液量下氣相區(qū)壓力變化Fig. 8 Pressure change in the gas phase region under different filling volumes
本文運(yùn)用數(shù)值模擬LNG動(dòng)力船燃料儲(chǔ)罐受到晃蕩20 s過(guò)程中的瞬態(tài)效應(yīng),得出LNG儲(chǔ)罐氣相區(qū)壓力和溫度隨不同對(duì)流換熱系數(shù)、充液量和振幅的變化特點(diǎn)。在這20 s瞬態(tài)的過(guò)程中,LNG最終的蒸發(fā)量很低,分析了液相區(qū)靜壓力的影響,液相區(qū)底部存在一定過(guò)冷度,蘊(yùn)含的冷量比較多,再加上儲(chǔ)槽的晃蕩效應(yīng),加速了底部的冷能摻混到頂部,使得LNG蒸發(fā)量減少,并出現(xiàn)了氣相區(qū)BOG的冷凝。
由液相區(qū)液體在自身重力作用下產(chǎn)生的靜壓力,得出了氣相區(qū)和液相區(qū)之間的物理量之間變化特性。因?yàn)榛问幍母叨确蔷€性和隨機(jī)性,引起儲(chǔ)罐中LNG熱動(dòng)響應(yīng)的不穩(wěn)定,出現(xiàn)不同程度的振幅波動(dòng)。以上分析研究,為海上船舶實(shí)際狀況下,LNG燃料儲(chǔ)罐的操作和維護(hù)提供一定的理論參考。