劉鑫鵬 韓 力 馬金晶 郭開華

中山大學工學院

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LNG水下泄漏引起快速相變的數(shù)值模擬與結(jié)果分析①

為了定量預測快速相變的爆炸強度，建立了一種歐拉-歐拉雙流體多相流模型與傳熱模型相互耦合的數(shù)值模型，通過對比Clarke H的快速相變實驗數(shù)據(jù)驗證了模型的可靠性和正確性。通過數(shù)值計算，得出快速相變在水上水下的動態(tài)過程、局部超壓情況以及甲烷質(zhì)量分數(shù)在水平方向及豎直方向的分布。結(jié)果表明,快速相變本質(zhì)上是LNG與水之間強制對流、膜態(tài)沸騰、爆發(fā)沸騰和核態(tài)沸騰的快速轉(zhuǎn)換過程；快速相變持續(xù)時間極短約1秒；在典型的LNG泄漏情形下，局部超壓最大可達97 kPa，可造成磚墻倒塌，嚴重損傷人的內(nèi)臟甚至引起死亡；快速相變不僅有超壓危害，在下游或下風向區(qū)域還可能進一步引起火災和窒息等潛在危害。研究結(jié)果可為LNG水上運輸安全防護提供理論依據(jù)。

液化天然氣 泄漏 快速相變 數(shù)值模擬 超壓 結(jié)果分析

液化天然氣(LNG)在儲存或者運輸過程中的溫度為-162 ℃，一旦泄漏到水中，由于巨大的溫差將使LNG和水之間發(fā)生高強度的熱量交換，進而造成局部壓力躥升，形成爆炸波向周圍傳播，這種現(xiàn)象叫做快速相變(Rapid phase transitions, RPT)，也稱作物理爆炸。如果LNG在加注或運輸過程中發(fā)生RPT，將會對周圍設施和工作人員造成嚴重的安全危害。

目前，對快速相變的研究主要以小尺度實驗研究為主，缺乏定量的理論模型，無法定量地預測快速相變的爆炸強度。1981年，美國LNL(Lawrence National Lab)國家實驗室的Coyote系列實驗是目前公開發(fā)表文獻中唯一的RPT大尺度實驗[1-2]。實驗結(jié)果表明，當LNG的泄漏率大于15 m3/min時，RPT的爆炸強度會急劇增大[3]。Reinke P[4]、Archakosit[5]、D S Wen等[6]做了大量的小尺度快速相變實驗，主要有低溫液體噴射入水中，以及水噴入低溫液體兩種。Hicks E等[7]提出用熱力學方法估算快速相變的爆炸壓力，他認為將爆炸過程可逆功和爆炸因子相乘即是爆炸所能產(chǎn)生的最大壓力，爆炸因子為50%。Bubbico[8]利用聲學方程模擬了LNG快速相變的爆炸沖擊波在空氣中的傳播過程。法國燃氣對快速相變進行了實驗研究并提出了數(shù)值預測模型[9]，但其研究成果作為商業(yè)機密并未公開；尚無其他公開發(fā)表文獻通過數(shù)值模擬方法研究RPT現(xiàn)象。

實驗研究和理論研究都缺乏定量模型且應用范圍有限，而數(shù)值模擬作為一種研究方法，可以準確模擬出快速相變的流動形態(tài)和爆炸壓力。目前，尚無商業(yè)軟件或者穩(wěn)定的數(shù)值模型可對快速相變這一情況進行模擬。為此，本文基于歐拉-歐拉雙流體多相流方法和Realizablek-ε湍流模型建立了一種模擬RPT的數(shù)值模型。該模型充分考慮了各相之間的相互作用，采用耦合方法進行求解，能反映快速相變的傳熱機理及超壓特性。

1 計算模型

1.1 幾何模型

LNG運輸船由于擱淺、撞擊、觸礁等情形會造成LNG泄漏到水底，如圖1(a)所示。LNG在水上運輸途經(jīng)的地方通常比較開闊，為此考慮LNG泄漏到開敞空間的情形?？紤]一種典型的泄漏情況，LNG泄漏到水下2 m，其尺寸為2 m×2 m×0.5 m的橢球狀。為了計算穩(wěn)定且避免浪費計算資源，采用二維軸對稱計算，如圖1(b)所示，水底區(qū)域尺寸為20 m×10 m，水上區(qū)域尺寸為20 m×30 m。

1.2 CFD計算模型

LNG在水底快速相變的水下部分是多相流動問題，水上部分是相變氣體快速噴出的問題，因此應將水下水上問題分開求解，將水下部分求解得到的空氣-水界面處的氣體流速作為水上部分的入口邊界條件。

1.2.1 水下模型

LNG在水下泄漏后，泄漏出的LNG在水域中的過程屬于多相流流動，存在LNG相、水相及相變氣體3相，因此應采用雙流體方法的歐拉-歐拉多相流模型。每一相都有各自的質(zhì)量、能量、動量守恒方程，相間的相互作用通過合適的數(shù)學模型描述，因此相間相互作用的模型是否合理決定了整個模型的準確程度。

1.2.1.1 質(zhì)量傳輸模型

當液體溫度大于飽和溫度，則液相向氣相轉(zhuǎn)化，反之則氣相向液相轉(zhuǎn)化，見式(1)：

(1)

式中：下標L和V分別為液相和氣相的相標記，αL和αV分別為液相和氣相的體積分數(shù)，1；TL和TV分別為液相和氣相的溫度，K；Tsat為飽和溫度， K。

1.2.1.2 動量傳輸模型

相間動量傳輸模型是多流體模型中最重要的部分，如果動量模型不恰當，則會導致數(shù)值求解不穩(wěn)定。相間阻力可用式(2)表示。

(2)

(3)

式中：ρp為p相的密度，kg/m3；f為阻力系數(shù)，與采取的模型有關(guān)，1；τp為顆粒馳豫時間，1/s；dp為流體微團平均直徑，m；Ai為單位體積內(nèi)兩相之間的接觸面積，1/m。

(4)

式中：μq為q相的動力黏度，kg/(m·s)。

單位體積內(nèi)兩相之間的接觸面積由主相的體積分數(shù)和主相的平均直徑?jīng)Q定：

(5)

式中：αp為第p相的體積分數(shù)，1。

低溫液體-氣體與水-氣體相間阻力采用適合氣液流動的Grace模型[10]，對低溫液體-水采用適合液-液多相流的Schiller-Naumann模型[11]。

湍流擴散力是由液相湍動氣泡流動引起的，其作用是使含氣率分布趨于均勻，定義如下：

(6)

由于升力、虛擬質(zhì)量力相比阻力至少小2個量級，所以忽略不計。

1.2.1.3 傳熱模型

p相和q相的相間對流換熱系數(shù)滿足式(7)。

hpq=hqp

(7)

式中：hpq為p相到q相的換熱系數(shù)，W/(m2·K)；hqp為q相到p相的換熱系數(shù)，W/(m2·K)。

LNG泄漏到水中的初始階段由于其與水存在較大速度差，LNG與水之間的換熱接近強制對流；由于LNG與水之間存在巨大溫差，隨后將發(fā)生膜態(tài)沸騰；隨著氣膜的破裂，LNG與水直接接觸將發(fā)生爆發(fā)沸騰；LNG與水之間的傳熱最終趨于穩(wěn)定，LNG與水之間進行核態(tài)沸騰。快速相變在水底的過程是強制對流、膜態(tài)沸騰、爆發(fā)沸騰、核態(tài)沸騰之間的轉(zhuǎn)換過程。

1.2.2 水上模型

水上部分為甲烷氣體沖出水面的過程，因此應求解質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程和組分輸運方程。由于氣體沖出水面速度較快，因此選用LES模型(Large Eddy Simulation)作為湍流模型。

2 模型驗證

利用上述模型對Clarke H等[12]的快速相變實驗進行三維數(shù)值模擬，如圖2所示。實驗拍攝圖像與模擬結(jié)果一致，模擬結(jié)果能反映實驗過程中的各種特征，實驗監(jiān)測壓力隨時間變化與模擬結(jié)果符合程度較好，因此模型的正確性與有效性得到驗證。

3 計算條件與設置

水下部分的多相流模型復雜且難以收斂，若采用三維模擬將大大增加求解難度，并且計算量是二維模擬的數(shù)倍，因而采用二維軸對稱的計算方法。若將LNG處理成不同組分的混合物，需要同時計算多相流各相守恒方程、湍流方程和組分輸運方程，這通常會導致計算發(fā)散，因此在滿足計算要求的情況下簡化計算，將LNG處理成液態(tài)甲烷，其相變氣體處理成甲烷氣體。網(wǎng)格質(zhì)量在0.5以上，滿足計算要求。初始時刻液態(tài)甲烷位于水下2 m，溫度為110 K，水和空氣的溫度為300 K。邊界條件如表1所列。

水上部分采用三維模擬，求解質(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程、LES湍流方程和組分輸運方程。將水下部分計算得到的水-空氣界面的氣體平均速度作為入口邊界條件，頂部采用壓力出口邊界條件，其余皆用自由邊界。初始時刻空氣溫度為300 K，不考慮風速。

表1 邊界條件Table1 Boundaryconditions邊界邊界條件對稱軸AB軸對稱邊界上方出口壓力出口p=101．235kPa、T=300K周圍出口自由邊界??x=0底部壁面邊界q=0，v=0

水上求解與水下求解采用基于壓力-速度的耦合求解方法，密度、動量等均采用二階以上離散方法，時間步長為10-5s，庫朗特數(shù)設定為400。

4 結(jié)果與討論

4.1 快速相變動態(tài)過程

圖3所示為快速相變在水下及水上的動態(tài)過程，LNG吸收水的熱量后迅速相變，相變產(chǎn)生的氣體在水中急速膨脹，0.3 s后開始脫離水面噴入空氣，1.0 s時相變氣體整體脫離水面。RPT過程持續(xù)約1 s，極其短暫，其在水底的行為難以觀察，天然氣氣體突破水面后迅速向豎直上方噴射，高度能達到20 m以上。因此，在LNG發(fā)生水底泄漏情形時，水面上的平靜可能蘊含著潛在的危險，應做好安全防范工作。

4.2 超壓情況

圖4所示為0.3 s時的超壓云圖，不同的顏色代表不同超壓大小，紅色表示最大超壓，藍色表示超壓為0，即大氣壓。由圖4可見，RPT過程中LNG泄漏區(qū)域的局部壓力遠遠高于周圍環(huán)境壓力，超壓達到97 kPa。局部超壓嚴重的原因是LNG與水之間存在巨大的溫差，極短時間內(nèi)高強度的熱量交換引起劇烈的相變行為，而天然氣的密度大約是LNG的1/600，氣體短時間內(nèi)無法向周圍擴散，集聚在LNG周圍，因此局部壓力會瞬間上升。泄漏區(qū)域與周圍環(huán)境的巨大壓力梯度將會在瞬間釋放出巨大的能量，以沖擊波的形式向周圍傳播，對周圍的設備與人員產(chǎn)生嚴重危害。

如圖5所示，隨著傳熱和相變的進行，RPT最大壓力先迅速上升，然后逐漸減小，在0.3 s時達到最大超壓約97 kPa；在1.0 s時超壓約55 kPa。根據(jù)爆炸超壓破壞作用對照表[13]，超壓在70～100 kPa時建筑物磚墻會倒塌，嚴重損傷人的內(nèi)臟或者引起死亡。因此，發(fā)生LNG泄漏到水中的事件時，為了減少RPT的爆炸沖擊波造成的危害，要盡快疏散周圍人員，做好安全防護工作。

4.3 不同位置甲烷質(zhì)量分數(shù)

監(jiān)測高度為1 m，離泄漏中心位置不同水平距離的甲烷質(zhì)量分數(shù)如圖6(a)所示。在水平方向上靠近泄漏中的位置(y=0、y=1 m、y=2 m)，甲烷質(zhì)量分數(shù)隨時間變化的趨勢相似，在極短時間內(nèi)增加到1，然后在1.0 s后迅速減少到0；在水平方向上遠離泄漏中心的位置(y=3 m)甲烷質(zhì)量分數(shù)較低，大部分處于0～0.4之間。因此，RPT過程中甲烷質(zhì)量分數(shù)在水平方向上由泄漏中心向周圍遞減，爆炸的核心區(qū)域甲烷富集。RPT爆炸核心區(qū)域甲烷質(zhì)量分數(shù)可達1，這是因為RPT過程時間極短、速度極快，甲烷氣體與空氣充分混合之前就被下方的甲烷氣體推走了。水平方向上離泄漏中心越遠，甲烷質(zhì)量分數(shù)處于5%～15%燃燒范圍的時間越久，因此在防范RPT的超壓危害之外，還應防煙防火。

監(jiān)測水平方向上離泄漏中心3 m不同高度(h=1 m、h=5 m、h=10 m、h=15 m)的甲烷質(zhì)量分數(shù)隨時間變化如圖6(b)所示，不同高度的甲烷質(zhì)量分數(shù)都呈現(xiàn)出無序的特征，說明RPT過程中存在強烈的湍流。高度為5 m、10 m、15 m的甲烷質(zhì)量分數(shù)都存在明顯的2個波峰，這是因為RPT過程中氣體主要向豎直方向運動，下方的氣體不斷推動著上方的氣體，整體以較快的速度向上運動。RPT爆炸后產(chǎn)生的高質(zhì)量分數(shù)甲烷將會使人窒息。此外，甲烷質(zhì)量分數(shù)將會逐漸稀釋到5%～15%的燃燒范圍，有引起火災的危險，因此無論風速如何，在LNG泄漏的下游和下風向區(qū)域也應注意防火防煙，疏散人群。此外，LNG船相關(guān)設備要安裝可燃氣體探測儀、火災報警器、煙霧報警器、滅火器等裝置。

5 結(jié) 論

建立了LNG快速相變的數(shù)值模型，按照LNG泄漏到水底的情況進行了模擬，得出了如下結(jié)論：

(1) 快速相變本質(zhì)上是LNG與水之間強制對流、膜態(tài)沸騰、爆發(fā)沸騰和核態(tài)沸騰的轉(zhuǎn)換過程。

(2) 快速相變持續(xù)時間極短，在設定的典型LNG泄漏情況下，快速相變會造成局部嚴重超壓，最大可達97 kPa。

(3) 快速相變不僅有超壓危害，在LNG發(fā)生泄漏的下游或下風向區(qū)域還可能進一步引起火災和窒息等潛在危害。

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Numerical simulation of rapid phase transition caused by LNG spills into water and results interpretation

Liu Xinpeng, Han Li, Ma Jinjing, Guo Kaihua

(EngineeringSchool,SunYat-senUniversity,Guangzhou510006,China)

In order to quantitatively predict the Rapid Phase Transition (RPT), a two-fluid Euler-Euler multiphase numerical model was established to simulate RPT. A typical Rapid Phase transitions experiment conducted by Clarke H. was modeled and the simulation results greatly matched the experiment results, thus the model was proven to be accurate. By simulating RPT in the open space with the model, the RPT’s dynamic process underwater was reached, as well as local overpressure and the distribution of methane concentration horizontally and vertically. The results showed that RPT is essentially the rapid transformation of forced convection, film boiling, explosive boiling and nucleate boiling between LNG and water. Besides, the duration of RPT was extremely short and last for about a second. The local overpressure can be up to 97 kPa in typical cases, which will cause brick wall collapse, visceral injury and even lead to death. RPT will not only cause overpressure hazards but may also cause fire and asphyxia hazards downwind and downstream. Overall, this study could serve as theoretical foundation for safety protection in waterway transportation of LNG.

liquefied natural gas, leakage, rapid phase transition, numerical simulation, overpressure, results analysis

廣東省教育廳液化天然氣與低溫技術(shù)重點實驗室資助項目(39000-3211101);中山大學-BP 液化天然氣中心資助項目(99103-9390001) 。

劉鑫鵬(1991-)，男，中山大學工學院碩士研究生，主要從事液化天然氣安全相關(guān)研究工作。E-mail:liusimple2016@163.com

劉鑫鵬 韓 力 馬金晶 郭開華

中山大學工學院

X932

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2016.06.020

2016-03-07；編輯：鐘國利