低温液体水面扩散和潜水过程传热传质研究

摘要

随着低温液体的使用、储存和运输越来越广泛，低温液体泄漏和释放会对周遭人员和设备带来危害。上述危害的轻重程度取决于低温液体在水面流动和汽化的传热传质特性，这些传热传质特性的表现主要存在于低温液体的泄漏，蒸发，扩散和潜水等过程中，因此相关问题需要深入研究。
　　针对低温液体的流动特性，将低温液体水面泄漏和释放过程分为低温液体水面扩散过程和低温液体垂直潜水过程。通过对浅水方程添加源项，本研究设计了一种适用于低温流体的水面泄漏和扩散的计算模型，并利用该模型对以LNG为例的大规模低温液体水面泄漏过程进行数值模拟，分析和研究了低温液体从不同类型的储罐泄漏到水面的场景。此外，采用level-set方法追踪低温液体-水两相界面，通过修改控制方程源项表征低温液体-水相际界面的相变过程，本研究建立了低温液体水面垂直潜水过程流动和汽化模型。在给定条件下，对不同入流速率的液氮潜水过程进行模拟计算，并分析低温液体在潜水过程中流动状态，潜水深度和汽化率。
　　研究表明，低温液体在水面形成的液池厚度梯度变化较大，扩散过程中会形成阶跃；低温液池的最大半径与出流孔径表现出玻尔兹曼渐近关系；储罐形状对低温液体扩散过程影响有限，而液池形状（圆形和半圆形）对低温液体扩散速度有强烈的影响，但对液池最大面积影响十分有限。通过level-set多相流模型对液氮潜水过程的模拟发现，动态平衡下的液氮在水中形成球棒型的柱体，其形状在流向方向总体表现为越来越粗的趋势；小直径液氮柱下潜深度较浅，但会在水中完全汽化，而大直径的液氮柱下潜较深，流线更混乱，但是会浮出水面而形成液池。
　　通过以上研究表明，基于浅水方程的泄漏和扩散模型可以更好地揭示低温液体水面泄漏后的传热传质特性，基于level-set的多相流模型弥补了低温液体垂直入水过程研究的缺失，本文的研究为低温液体泄漏危害的进一步防治研究工作提供了一定参考价值。

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 主要研究内容

2 低温液体-水界面传热传质理论分析

2.1低温液体水面释放过程分析

2.2 低温液体水面扩散数学模型

2.3 低温液体潜水过程多相流模型

2.4 本章小结

3低温液体水面泄漏和液池扩散过程数值模拟

3.1泄漏和扩散过程物理模型

3.2泄漏和扩散过程数学模型

3.3 模型实现和条件设置

3.4 LNG水面泄漏案例分析与讨论

3.5 本章小结

4 低温液体垂直入水过程数值模拟

4.1低温液体潜水过程物理模型

4.2低温液体潜水过程数学模型

4.3 网格划分和条件设置

4.4结果分析与讨论

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表的论文

附录2 攻读学位期间所参与的研究课题