低温液体地面泄漏液池汽化过程的实验研究

摘要

低温液体如液氢、液氨、液氯和液氮等作为液态燃料、制冷剂和化工原料，具有易燃易爆、低温、毒性等特点，一旦发生泄漏将会造成严重后果。相关研究工作主要关注低温液体泄漏后混凝土基底的传热过程，将混凝土表面低温液池假设为理想低温条件，忽略上方液池的沸腾传热过程。本文通过实验的方法研究混凝土热传导和低温液池沸腾对流传热共同作用下低温液池的传热汽化过程，提出低温液池传热汽化过程的耦合计算方法，并在此基础上探究不同泄漏基底情况对低温液池传热汽化过程的影响。具体工作和结论如下： （1）搭建了低温液体混凝土表面泄漏液池传热汽化可视化实验平台，主要包括测温系统、测重系统、高速摄像和数据采集系统及可视化液池沸腾汽化装置，可实现低温液池传热汽化过程中液池沸腾气泡形态变化过程的高速摄录以及混凝土温度和液池质量变化的高频采集。 （2）以液氮为低温介质，开展了液氮混凝土表面泄漏液池传热汽化的实验研究，考察了混凝土热传导和液氮池沸腾对流传热共同作用下液氮液池的传热汽化过程。实验结果表明，液池汽化速率与时间平方根倒数近似呈线性关系，与半无限非稳态一维热传导理论一致。实验观测到液池从膜态沸腾到过渡沸腾和核态沸腾模式转变过程的气泡形态特征。通过分析整理，可将沸腾过程划分为膜态沸腾、过渡沸腾和核态沸腾三个阶段，得到了液氮-混凝土表面池沸腾曲线。实验结果表明，临界热通量点温差为20K，最小热通量点的温差为40K。 （3）根据实验结果，修正了核态沸腾Kutateladze公式和膜态沸腾Berenson公式系数，得到适用于液氮-混凝土表面的沸腾经验公式，结合非稳态半无限一维热传导温度计算公式，提出液氮-混凝土表面液池传热汽化过程的耦合计算方法，液池汽化质量的预测误差在5%范围内，比热传导理论预测精度提高了37.4%。 （4）在上述工作基础上开展了液氮泄漏到湿润混凝土、水、细砂和土壤表面液池传热汽化的实验研究。发现混凝土、湿润混凝土、砂石和土壤表面的汽化质量与时间平方根近似呈线性关系，汽化特征参数F呈现湿润混凝土表面＞土壤表面＞混凝土表面＞砂石表面的现象。水面下方温度的变化情况受深度影响较小，水面25mm深度以下不同深度处水温随时间的增加同时降低且下降幅度相近。冰层只分布在水表面，水内部未结冰；水面冰层厚度分布不均匀，水面液氮沸腾过程液池主要处于膜态沸腾阶段。

目录

声明

引言

1 文献综述

1.1 研究背景与意义

1.2 低温液池与地面传热汽化过程

1.2.1 固体非稳态半无限一维热传导过程

1.2.2 低温液池沸腾传热过程

1.3 低温液池汽化问题研究进展

1.3.1 实验研究

1.3.2 泄漏源项理论计算模型

1.3.3 数值模拟

1.4 本文研究内容

2 实验系统和实验方案

2.1 实验装置

2.1.1 可视化液氮汽化平台

2.1.2 高速图像采集系统

2.1.3 测温系统

2.1.4 测重系统

2.2 实验系统误差分析

2.3 实验流程

2.4 本章小结

3 低温液体地面泄漏液池传热汽化行为研究

3.1 混凝土基底导热过程分析

3.1.1 非稳态半无限一维热传导问题判定

3.1.2 混凝土热物性参数计算

3.2 液氮混凝土表面池沸腾过程的研究

3.2.1 液氮混凝土表面池沸腾实验结果

3.2.2 液氮池沸腾曲线临界点理论计算

3.2.3 液氮混凝土表面不同沸腾模式下的气泡特征

3.3 本章小结

4 液氮混凝土表面泄漏液池传热汽化耦合计算方法的研究

4.1 非稳态半无限一维热传导理论模型

（1） 混凝土内部温度分布

（2） 混凝土表面温度

（3） 汽化速率和汽化质量

4.2 沸腾经验关联式修正

4.2.1 核态沸腾

4.2.2 膜态沸腾

4.2.3 过渡沸腾

4.2.4 经验关联式沸腾曲线

4.3 液氮混凝土表面泄漏液池传热汽化耦合计算方法

4.4 低温液体固体表面泄漏传热汽化过程分析

4.5 本章小结

5 液氮泄漏到不同基底液池传热汽化行为的研究

5.1 液氮泄漏到不同基底液池的传热汽化的实验结果

5.1.1 汽化速率和汽化质量

5.1.2 基底内部温度变化规律

5.2 不同基底情况导热过程分析

5.3 液氮水面泄漏液池传热汽化过程分析

5.3.1 液氮水面泄漏液池传热汽化实验结果

5.3.2 液氮水面泄漏池沸腾过程

5.4 本章小结

结论

创新点

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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