孫亞峰 雷琦 趙婷

摘要：針對LNG儲罐中儲液分層密度差對翻滾的影響問題，本次研究通過建立模型的方式，對兩分層以及分層密度差對翻滾的影響進行全面的分析研究，為判斷儲罐內(nèi)出現(xiàn)分層翻滾問題的極限判斷奠定理論基礎(chǔ)。研究表明：當儲罐中上層液體的密度大于下層液體的密度時，上層的液體會向下層移動，此時兩液體的界面會發(fā)生狀態(tài)性的變化，當兩相鄰液體的密度差越大時，出現(xiàn)翻滾問題的時間就越早，翻滾時間相對較長，同時，翻滾現(xiàn)象也相對較為劇烈。

關(guān)鍵詞：LNG儲罐;儲液分層;密度差;翻滾;模型建立

LNG是目前一種常見的清潔能源，主要是通過儲罐對其進行保存，但是如何保障LNG儲罐的安全是一項重大問題。在LNG儲罐儲存的過程中，非常容易出現(xiàn)分層問題，進而在儲罐內(nèi)部形成液體翻滾現(xiàn)象，最終會引發(fā)LNG儲罐的安全問題[1]。目前，國內(nèi)外學者對于LNG儲罐內(nèi)液體的翻滾問題進行了多方面的研究，但是研究成果主要集中在如何避免出現(xiàn)液體翻滾問題以及模型的建立方面，對于儲液分層密度差對翻滾的影響研究相對較少，這給LNG儲罐使用企業(yè)造成了一定的困擾，針對此問題，本次研究通過建立模型的方式，進行了儲液分層密度差對翻滾的影響研究，為判斷儲罐內(nèi)是否出現(xiàn)了液體翻滾問題奠定基礎(chǔ)。

一、分層與翻滾模型的建立

（一）物理及數(shù)學模型

在LNG儲罐使用的過程中，工作人員可以通過儲罐內(nèi)的監(jiān)測點，對一定高度位置處液體的密度、溫度以及壓力等參數(shù)進行監(jiān)測，可以及時掌握儲罐內(nèi)液體的物性變化信息[2]。在對LNG儲罐進行模擬的過程中，可以將整個儲罐分為多層次的LNG層，一般情況下，液體翻滾問題基本都出現(xiàn)在LNG層面上，目前的研究結(jié)果已經(jīng)表明，如果LNG儲罐內(nèi)的LNG資源屬于不同來源，或者在LNG資源充裝的過程中，由于LNG之間存在一定的密度差，所以非常容易出現(xiàn)分層問題，如果兩個層面之間的LNG密度差達到一定的數(shù)值，就會出現(xiàn)翻滾問題。為了進行密度差對翻滾問題的影響研究，將整個物理模型簡化如下：①將整個LNG儲罐的體積設(shè)置為16×104m3，其直徑設(shè)定為80m，在建立模型的過程中，不考慮LNG儲罐的壁厚;②在進行模擬研究的過程中，不考慮儲罐的漏熱問題，同時忽略儲罐內(nèi)的氣相空間，只對儲罐內(nèi)的液體進行模擬;③儲罐內(nèi)放置有四種密度的LNG資源，其密度分別為425kg·m-3、424.5kg·m-3、424kg·m-3、423kg·m-3;④在整個模擬的過程中，假定儲罐內(nèi)LNG的整個流動過程中只符合牛頓的內(nèi)摩擦定理，不存在耗散問題。在模型建立以后，對整個模擬模型進行網(wǎng)格劃分，總共劃分網(wǎng)格16000個，每個網(wǎng)格的大小皆為0.1m×0.1m，模擬過程中的時間步長為0.001s，模擬過程中采用的軟件為FLUENT，邊界條件選擇wall類型。在建立數(shù)學模型的過程中，LNG儲罐內(nèi)的液體翻滾問題主要基于Boussinesp假設(shè)，因此，其數(shù)學模型主要可以分為三種類型，分別是動量方程、組分方程以及液體翻滾問題的連續(xù)性方程。

（二）翻滾模型

在儲罐內(nèi)出現(xiàn)液體翻滾問題時，不同層面的LNG資源之間存在物性參數(shù)的差別，因此，在進行模擬的過程中需要選擇多相流模型，在FLUENT軟件中可供選擇使用的多相流模型主要可以分為三個，分別是體積模型、混合模型以及歐拉模型，對于混合模型而言，這是一種簡化后的多相流模型，主要可以對存在速度差的多相流進行模型，在進行模型的過程中，假定兩相之間的耦合性相對較強，然后通過對動量方程、能量方程等各種類型方程進行求解的方式，最終達到模擬的目的，混合模型的應用范圍相對較廣，因此，本次研究將使用混合模型作為最終的翻滾模型[3]。在進行參數(shù)設(shè)置的過程中，將操作空間內(nèi)的壓力設(shè)定為101.325kPa，所受到的重力設(shè)定為9.81m/s2，儲罐內(nèi)液體的密度從上到下依次減小，以此達到形成密度差的目的，整個模擬過程的時間設(shè)定為1000s。

二、LNG儲罐中儲液分層密度差對翻滾的影響分析

（一）兩分層翻滾分析

通過對兩分層翻滾問題進行分析后發(fā)現(xiàn)，在開始以后的80s以內(nèi)，由于重力還并沒有完全發(fā)揮作用，因此LNG資源的分層問題并沒有完全被打破，在80s-200s的時間內(nèi)，受到上下層LNG資源存在密度差以及受到重力因素影響的問題，LNG資源已經(jīng)出現(xiàn)了上下混合問題，分界面出現(xiàn)了嚴重的擠壓，液體已經(jīng)出現(xiàn)了翻滾問題，每個層面的LNG資源都存在較大的密度變化，在200s-400s的時間內(nèi)，不同層面LNG資源之間的密度差已經(jīng)變小，翻滾問題的劇烈程度也有所降低，在400s以后，LNG資源已經(jīng)達到了相對穩(wěn)定的狀態(tài)，翻滾問題完全結(jié)束。

（二）分層密度差對翻滾的影響分析

通過進行分層密度差對翻滾問題的影響模擬研究后發(fā)現(xiàn)，當兩個層面之間的密度差達到2 kg·m-3時，分界面出現(xiàn)嚴重波動問題的時間為100s，且整個液體翻滾過程可以持續(xù)530s左右，當兩個層面之間的密度差達到1 kg·m-3時，分界面出現(xiàn)嚴重波動問題的時間為170s，整個液體翻滾過程可以持續(xù)460s，當兩個層面之間的密度差達到0.5kg·m-3時，分界面出現(xiàn)嚴重波動問題的時間為220s，整個液體翻滾過程可以持續(xù)300s。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，當LNG儲罐中兩個層面之間的密度差相對較大時，則分界面出現(xiàn)嚴重波動問題的時間就越早，整個液體翻滾問題的持續(xù)時間就越大，同時，翻滾問題也相對較為劇烈。

三、結(jié)論

在本次研究中，通過建立模型的方式，進行了LNG儲罐內(nèi)儲液分層密度差對翻滾問題的影響研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，隨著LNG儲罐內(nèi)兩個層面液體之間密度差的增加，分界面嚴重波動問題出現(xiàn)的時間就越早，翻滾問題持續(xù)的時間越長，翻滾問題就越劇烈，本次研究的結(jié)論可以為LNG儲罐內(nèi)監(jiān)測點的設(shè)定提供理論指導。

參考文獻：

[1] 王萍，曹學文，彭文山，等.大型LNG儲罐儲液分層特性對翻滾的影響分析[J].石油工程建設(shè)，2015（04）：9-14.

[2] 步勇成，王娜，趙曉丹.大型LNG儲罐翻滾兩分層和三分層模型模擬[J].煤氣與熱力，2019，39（04）：66-69+74+98.

[3] 王海蓉，馬曉茜.液化天然氣（LNG）儲存容器中的分層與翻滾[J].低溫工程，2006（01）：53-57.