LNG沉浸式汽化器流动传热过程数值模拟

摘要

液化天然气作为一种清洁能源，近年来，受到了社会各界的普遍关注，有关LNG专用贮存设备和汽化设备的研究也已成为学术界的热点。LNG沉浸式汽化器是一种高效换热器，主要用于调峰系统中。虽然针对折流板管壳式等换热器的的研究已较为深入，而对于LNG沉浸式汽化器这种专门用于低温液体汽化的换热器结构及流场模拟方面的研究鲜见报道。研究LNG汽化器的流动和传热规律，探讨更为合理的结构和操作参数，具有工程实际价值。 本文使用FLUENT流体计算软件对LNG沉浸式汽化器的流动和传热过程进了三维数值模拟。提出了采用倾斜换热管的结构，计算了不同射流气体Re下壳程湍动水浴的平均速度、湍动能量以及汽化器的传热系数。主要的工作与结论如下： 建立了LNG汽化器内流动与传热过程的物理和数值模型，用标准κ-ε湍流模型描述流体的湍流流动，用混合物模型处理多相流动，用离散相模型描述射流气体与水浴的相间耦合计算，用UDF函数添加源项的方法描述液体汽化的过程。 通过数值模拟方法，得到了LNG沉浸式汽化器中流体的流动和传热过程的速度场、温度场、压力场的分布，获得了沿管长方向截面平均含气率的分布，描述了管程流体气、液相分布和流动情况，给出了管程阻力损失曲线。 数值模拟结果表明，水平换热管用于LNG汽化器会产生气体沉积现象，为此提出了采用倾斜换热管结构。通过对水平管、倾角β=1°、1.5°、2°、3°的倾斜管内流动过程进行数值模拟，获得了管内截面含气率曲线；倾斜角度越大，越有利于消除气体沉积，但倾斜角的增大又影响了汽化器结构的稳定性。综合考虑以上两种因素，本文提出了最佳倾斜角度为β=2°。 通过对燃气加热和水浴传热过程进行数值计算，考察了喷射气体在不同雷诺数下对水浴湍流以及对总传热系数的影响。当Re在1×10<'4>～5×10<'4>间变化时，水浴的平均流速、平均湍动能和汽化器总传热系数显著提高：继续增大雷诺数，水浴的平均流速和平均湍动能仍可以逐渐增大，但总传热系数受到管内传热膜系数的影响，变化已经不太明显。得到最佳喷射气体雷诺数为Re=5×10<'4>。

目录

文摘

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引 言

1文献综述

2数学模型及数值方法

2.1 LNG沉浸式汽化器模型简化

2.2基本守恒方程

2.3湍流流动模型

2.4多相流模型

2.5液体汽化的UDF函数

2.6求解方法

2.7计算流程图

3 LNG沉浸式汽化器流动换热过程模拟

3.1数值模拟

3.2物理模型

3.3 网格划分

3.4计算参数

3.5计算模型

3.6边界条件

3.6.1入口边界条件

3.6.2出口边界条件

3.6.3壁面边界条件

3.6.4边界条件小结

3.7计算结果分析

3.7.1流场分布

3.7.2温度场分布

3.7.3压力场分布

3.8汽化器结构及参数讨论

3.8.1倾斜管结构

3.8.2喷射气体Re的影响

3.8.3喷嘴与换热管的排列方式的影响

3.9本章小结

4汽化器实例计算

4.1物理模型

4.2网格划分

4.3计算参数

4.4计算模型

4.5边界条件

4.6计算结果

4.7设计参数改进

4.8本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录A符号说明

附录B相变计算源程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢