（轮机工程专业论文）lpg船圆柱型压力舱在单侧火焰下的热响应及应力研究.pdf

中文摘要 摘要 随着石油工业的迅速发展，液化气在工业与民用领域的应用日益广泛。但 液化气是易燃易爆的物品，由于其本身的低温、易燃、易爆等特性，随着用量的 不断增加，它在运输和储存过程中发生的爆炸事故，对人类的正常生产和生活造 成了严重的威胁。为此，人们高度重视并积极开展了液化气事故的相关研究工作。 其中，计算液货舱在高温高压环境下舱内介质的热响应和舱壁的瞬态应力分析， 对于确保液化气船的安全运输有着直接的指导作用。 本文是液化气船风险评估的一个子系统，重点研究的是单侧火焰环境下液化 气压力液货舱内的介质热响应及液货舱壁的应力分析。本文对压力式液货舱的温 度场分布以及其应力分布分剐进行了计算，并在计算结果的基础上给出相应的防 护措施。在液化气液货舱的温度场分布计算中，本文首先建立了单侧火焰包围下 液化气液货舱的传热模型，然后根据传热学理论确定了液化气液货舱瞬态传热的 边界条件，采用有限差分方法，选用跳点差分格式，求解舱壁温度分布，以及液 舱内压力变化，并对计算结果进行了分析。在液化气液货舱的应力计算中，液化 气液货舱的应力主要由热应力和机械应力共同作用引起的，为了弄清这两种应力 分别对总压力盼影响的大小，运用 n s y s 对液化气压力液货舱仅受温度载荷时的 瞬态当量热应力以及仅受内壁压力时的瞬态当量机械应力进行了计算分析，然后 在此基础上计算了液化气液货舱的当量总应力并对其进行了分析比较。从计算结 果我们可以看出，由于机械应力相对热应力来说较小，各点舱壁总应力的变化趋 势与其热应力的变化趋势基本相似。 论文最后分析总结了高温高压环境下液化气液货舱的事故预防。主要从三个 方面来实现，( 1 ) 降低壁面温度：( 2 ) 降低液货舱内的压力：( 3 ) 对危险区实行重 点的防护。 本文对于研究和解决液化气在储存和运输过程中的安全问题具有指导意义。 关键词：液化气船；压力式液货舱；热响应；有限元；应力分析 英冀摘雾 t 虹eh e a tr e s p o n d s s t r a i ns t u d y0 i ! t h ep r e s s 饼e dc o i u m nt a n k u n d e r0 n es i d ef l a m e a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n ti n a c a s oo f 峨c o n s u m p t i o no fl i q u e f i e d g a s , 水s 赶窭攀群峨翻v o l u m ei si n c r e a s i n gb y 霉l a r g em a r g i na n dt h ec o r r e s p o n d i n ga c c i d e n t s 瓣c o n s t a n t l yr i s i n gt o o 。豫c a r r i e r so fl i q u e f i e d 秘h a v ea 辩o fh i d d e nr i s k so f a c c i d e n tw h i l et h e yl o a da n du n l o a d & e , a r g oa tp o r ta n dd u r i n gm a r i n et r a n s p o r t a d o r t , m a i n l yc a u s e d 埘i o wt c m p c r a m m ，f i 揪i ea n de x p l o s i v ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e l i q u e f i e dg a s 。 t h i sd i s s e r t a t i a ni st h es u b s y s t e mo f 越s ka s s e s s m e n to f l i q u e f i e dg a s c a r r i e r , a n di t s k e yc o n t e n ts 雾u d i e s t h et h e r m a lr e s p o n s eo fl p c 遥l i q u e f i c dp e t r o l e n m c , a s ) u m k 嘤酬t oo n e s i d ef i r e 联r s t , t h es a f e 嚯yo faw o r k p i 蹿ei sr e l a t e dt os 慨i t b e a ma n di t st e m p e r a t u r e , s oi st h et a n k o ft 繁gv e s s e lt c m p c r a u r e 彝嚣聪d i s t r i b u t i o n a n ds t r e s sf i e l d 攒s t r i b u f i o no fl p gv e s s e la r ec a l c u l a t e di no r d e r 协e s t i m a t ei t ss a f e t y s t a t u s a st ot h ec a l c u l a t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e “d i s t r i b u t i 0 1 1 ，t h eh e a tt r a n s f e r m o d e lo fl p gv e s s e lu n d e rf l a m es u r r o u n d i n g s ：l ss e t 强斑薅t h e nt h eh e a tt r a n s 赫 b o t m d m - yc o n d i t i o n s 瓣氆咚v m s e la l ed e t 攒m i n e d 黼蛹鼗鏊t ot h e 疑a tt r a n s f e r t h e o r ya n dt h eh e a t 赫a n g eb o u n d a r yc o n d i t i o n so f l p gv e s s e li sc a l c u l a t e d ，f i n a l l y t h et o m p o r a t u r 嚣f i e l dd i s t r i b u t i o no ft h i sm o d e li sc a l c u l a t e da n da n a l 鬻e db ya n s y s s o f t w a r e w i t hr e g a r dt os t r e s sc a l c u l a t i o no fl p gv e s s e l ，t h es t x e g so fl p gv e s s e li s e a b s e dm a i n l yb yt h e r m a l 划b f e g sa n dm e c h a n i c a ls t r e s s i no r d e rt om a k ec l e m t h e i n f l u e n c eo ft w ok i n d so fs 耄潞t ot h et o t a ls 靛e s s 。o q u i v a l e n t 疆鞴雹嗽瓣g 睫。毫so fl p g v e s s e l 嘲嚣o n l yt e m p c 豳el o a da n di 然e q u i v a l e n tm e c h a n i c a ls a c s su n d e ro n l y i n n e rw a l ls t r e s sa r ec a l c u l a t e da n da n a l 粥c d , t h e ni t se q u i v a l e n tt o t a ls t r e s si s c a 1 c u l a t c d ，a n a l y z e da n dc o m p a r e d 。 s e c o n d , t h ef a i l u r ep r o c e s so fl p ov e s s e lt a n ku s u a l l yi n c l u d e st w op l l a s e s ：t h e c r a c kf o r m a t i o na n d 濂c r a c kp r o p a g a t i o n 。a f t e rt h et e m p e r a m mf i e l dd i s t r i b u t i o n a n dt h e 翻弘港sf i e l dd i s t r i b u t i o no f l j gv 卷s 霉嚣i 懿斌w i t h o u tc r a c k sa r ec a l c u l a t e d , t h e 英文摘要 8 t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro fl p gv e s s e lt h 出w i t hi n i t i a lr a d i a lc r a c ka sw e l la ss u l 屯a c c c r a c ka r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e d i n t h ee n d ，t h e m e c h a n i s mo f e x p l o s i v ea c c i d e n t so f l p g v e s s e l t a n ku n d e r l l i g h t e m p e r a t u r ei sa n a l y z e d t h em a j o ri n d n c e m e n t so fl p gv e s s e lt a n ku n d e rh i 曲 t e m p e r a t u r e a sf o l l o w s ：1 1s u d d e nf a l l i n go f p r e s s u r eo nv a l v eo p e n i n g ；2 ) m a t e r i a l s t r e n g t hf a l l i n go f v e s s e lw a l l ，w h i c hi sc a u s e db yh i g ht e m p e r a t u r eo fv e s s e lw a l l ；3 ) t h e r m a ls t r e s st h a ti sc a u s e db yn o n - u n i f o r mt e m p e r a t u r eo f v e s s e lw a l l a m o n gu s u a l m e a s u r e so fp r e c a u t i o na n dp r o t e c t i o n ，s p r a ys y s t e ma n dt h e r m a li n s u l a t e dl a y e ra r e e a s ya n de f f e c t i v e i na d d i t i o n t h ei m p r o v e m e n to ft h er e l i e fv a l v ei sp r o p i t i o u st o p r e v e n tt h ee x p l o s i o no f l p g v e s s e l t h et h e s i sh a sg u i d i n gs i g n i f i c a n c ei ns a f ep r o b l e mo ft h el p g sa t o r i n ga n d t r a n s p o r t i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：l p g v e s s e l ；p r e s s u r el i q u e f i e dg a st a n k ；t h e r m a lr e s p o n s e ； f i n i t ee l e m e n t ；s t r e s s a n a l y s i s ； 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，撰写成硕 士学位论文：l 鱼盟圆柱型匿盘墼查茔蚀烂王曲热喧虐区廛左硒基：。除论文中 已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中咀明确方式 标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表或未公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 呦 学位论文版权使用授权书 明幽 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交，版权使用管 理办法”同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送文学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借四。本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分冉容编入有 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密廿( 请在以上方框内打“” 论文作者签名 蟛锈有日期：p 0 7 ，年弓月影日1 u g 船圆柱型压力舱在单侧火焰下的热响应及应力研究 第1 章绪论 本章主要介绍课题背景，国内外与本课题相关的研究成果、进展及目前的水 平，并阐述本论文主要研究的内容和目标。 1 1 课题研究的目的及意义 随着世界经济的增长，对能源的需求在不断增加。液化气作为一种重要的环 保能源，在能源结构中占有相当大的比例，并逐渐占据了航运市场。我国从事液 化气运输虽然己经有十几年的时间，但还是属于起步阶段，各方面经验比较缺乏， 随着液化气作为燃料在工业和日常生活中的大规模使用，其制备、运输、储存和 使用等各个环节上的潜在危险性越来越明显的暴露出来了“。 据统计，在我国1 9 9 0 年至1 9 9 1 年上半年，共发生液化气船及码头储罐大小 事故3 0 余起，造成4 0 多人死亡；2 0 0 0 年5 月4 日，满载的“长威2 号” 葭化 气船在天津泰达气库码头卸货时爆炸起火，造成重伤1 人，轻伤2 人的事故；2 0 0 2 年1 1 月，一艘名为“g a z p o e m ”的巴拿马籍液化气船在深圳大鹏湾机舱发生着火， 由于再液化系统的瘫痪致使货舱压力上升而发生货物蒸汽泄漏，所幸救助及时没 有引起火灾，否则影响将会极其严重。这些严酷的事实表明了深入研究这些灾 害性事故的发生机理、相关条件极其伤害机理是非常必要的，但是对这方面的研 究需要投入大量的人力、物力和财力，因此结合我国的实际情况减少实验费用也 充分发挥计算机数值模拟技术的优越性，对该领域采用数值分析将对有效的科学 的预测、预防、控制这类灾害性事故的发生及指导紧急救灾，减少人员伤亡，财 产损失，确保液化气的安全运输，维护社会的稳定，具有重要的经济和现实意义 d 】 ，2 国内外研究概况及发展动态 1 2 1 国外研究现状及发展动态 从7 0 年代开始，美国、英国、德国和加拿大等一些工业发达国家就对液化 气的安全运输与储存问题进行了研究从1 9 7 3 年开始，美国华盛顿联邦铁路管 理局和芝加哥铁路协会相继开发了公共领域的基本代码，用于模拟水平圆柱形液 化气储罐在火焰完全包围下的热响应过程“。 繁1 零蟋谂 1 9 8 3 苹潮l 鹪器每，劫拿丈垒辫教大学嚣发并竟善了t a n k c a r 摸塑，该模型 研究了处予单侧火焰之中，且被火焰窕垒包围的水平圆柱形液化气储罐的热响应 过程，可以预测罐壁温度、罐内装料温魔以及断裂时间等n 一1 。i 9 8 5 年由加拿大 哥伦比亚蠡然獬攀和工程研究运输殍麓中心赞助，加拿大遴输黎统开发中心与 渊3 灾震褥学嘹心蔌麟俸遵送孬了遮方霆魏数值努橱磁鬻辩。 1 9 8 7 晕，兼耀蠢体磅究瞬开发了耀矗p 珏p 模銎，该模塑建藏程对容量为0 。2 t ， 1 t 和5 t 的液傀气储罐与火焰包豳环境下的实验研究之基础主，可成功预测不同 尺寸的安垒阀、不同型号和不回究装爨的储罐的安全阀的歼腐时间、储罐内液体 和蒸气的平均漱壤以及储罐压力变纯、液体承平面以及储罐蹙漱糜随时问的变化 等。 1 9 8 4 攀鬟19 8 7 攀，荚匡链瘢安垒褥蕺器稠缝舞发te n g u l f - l 期戳u 疆羹 模型，蔚者冀模擞了装有部分碳氢傀含物的矩形储罐被火戆奎镶阐时其储罐内的 热响应过程，或者可模拟火焰均匀包围戚非均匀包围、火焰单侧藏远距离辐射等 环境下的水平酾牲型储罐内的热响斑避稷，弗可对储罐步 建加装喷水冷却或隔热 藩等撩护效巢避褥预溅“擀。 叁重霸2 攀酸寨，燕塞太薪纂稔蔫竞走学失焰辩学紫心褥继嚣发tp l g s - ， p l g s - 2 和p l g s - 3 模型，其中淞s i 鞫礼g s _ 2 都可以模掇蝣岛惫包围火焰下水 平圆柱型储罐( 没有被抛掷或滚动 的热响应进程，而且两种模黧中都考虑了储罐 内边界层从自然对流到沸腾全过程，以藏蒸汽区与过冷液体隧阈的分层区，因此， 艇够较好越模揪瓣安垒阕第一敬抒嚣之翦储罐内酶垒过程。搀了爨好她模越安垒 阀莠赛戮美朗蠲鲻麓罐虑黪复杂穗纛遭耩，蕤不铯臻巍犬攀犬焰裁攀孛。在 p l g s - i 翱p l g s - 2 的萋础上，充矜考虑器种影响霞素，嚣发了p l g s - 3 酶模鹫， 井随着对物理过程认识的深入仍在不断亮普该模型n 毋。1 9 9 0 举该火焰科学中心 与加拿大蘑家火灾实验室联合开发了一种数值模型，该模烈可以膏效地预测全包 匿火焰或熬分包瀚环境下酶液亿气镛罐酶热噙应行为n 对。翳尹 姗零太国际研究协 会瞧与之共瓣瓣巍了震凌环境下苓黼赫罐奁狡对燕昀痊懿影穗，编制响应豹鼗 值模撼摇警瓣。 近年来，饿罗斯防火科学研究院也对具有防护措施的液化气储罐在池火中的 热响应行为进行丁研究，开发了相腹的数值模型。该模型脊徽地预测了具有不同 l p g 船黼糕粼聪为舱谯单饿太烙下的热响应及应力骈究 防护攒藏( 如熬缝缀艨、发懑墼黪夹涂料、震嚷漭等麓渡匏气赭遴鹣热赫魔， 可醚为滚德气撩罐酶浚计及蜜垒犊撬供凝骞徐蓬酶参考潞嘲。 鋈静黠炎嫠琢囊爹渡鞣溉虢罐魏燕螭痤模蘩太舔是嫠爝耨瘦鹩彀谶纂器，阉 都是在一定静条粹下熬避馘搂搬，这些条件太多是澍簧热过程韵霰墩，程髓糕筹 传热过程中主要慧对呔缡姻匀与非均匀加热以及全包圈与都分瓴隧加熬鹣缓设， 在储罐壁传导过程中主黼怒一维与二缝传导以及稳态与非稳态橼导的假谶，在储 罐内传热过程中，液掴隧假设燕要是考虑的气体吸收的情况等。总乏，器模型都 是适用于各自的范围，都有囱融的局限性。随着计算机技术的发展以及附过程传 热研究的深入，火焰祭件下的液他气储罐热响应问题的模拟分析也褥剥? 进一步 的发展与完善。 。2 。2 国痨磁巍壤状涎擞灏秘杰 匡内对谶赣壤懿瓣变起步较晚，箕授天支量懑不多，获爨魏鞠变赫粪糕震攀 謇交囊清嚣我饕l 蜀鹾翔遴； 1 9 9 2 年，趣塞辩搜炎学采丽数僮模搂技术靖搀每火焰舔壤零謇寇满麴德罐 内渍纯气韵传热拣痰进行了分橱，谈模型可懿计算诸如储罐疰为，裴料罄嚣瓣溅 度、密度、焙、赭罐壁幂网都能温度等参数随时闻的变化，也硪用于琰测擞焰不 同程度包围盛有液化气的储罐，储罐的几何形状和大小不同，储罐内装料水平不 同和舱内所装物质不湖的熟啕虞n 绷。1 9 9 9 年，该校利用p l g s 数值模拟稷廖， 弓l 入单侧火焰环境下的储罐外边界条件，对盛有丙烷的水平圆柱型在非均匀攀侧 火焰下灼热响应进行了数馕模拟，模越结果与实验结果吻合鼓好，为霄效黪此液 纯气泄漏、储罐麟肄及火灾率敬提供了盛萋盼理论佼撂隧。 1 9 9 9 筚，藏汉变避辩授必譬遴霉了滚佼气及压渣运辘逑程孛襄麓攀簸的撬 堙骚究篱嫠囊，赞澍瀵德壤瓣弱油潞静典銎缝饕壅蔬建立了穰康瓣数镶横麟搂 鍪，嚣轰了具肖发豁阕户麓爨蘸镶冀薮静，黠予渡纯气穑罐，设计、帮发在黎 正常热环境下翡热嘲癜麴髓冀黎统，并以参数热线的形式较好撼模掇彳渡能气糕 罐的热响应过程鼢渊。 台湾泼江丈学建盘了l p g 和液氨的卧式和球型储罐被火焰吞搜的熟响魔模 型，并对b l e v e ( b o i li n gl i q u e de x p a n d i n gv a p o u re x p l o s i o n ) 控制对策、b l e v e 现象引发的热辐射风险谶犄丁分析。他们只用了四个集总单元：气榈区储罐，液 鹅l 掌缝论 相区储罐、蒸气和液体，并假定：( 1 ) 吾节点温魔均匀；( 2 ) 储罐接受均匀辐射： ( 3 ) 忽略麟端封热的容积；( 4 忽略罐壁与流体的濑魔熬鼎。根据这些假定对四个 单元建堂热平衡方程，为液化气储罐的设计燮仝性撼供参考僦黼。 礴索工业炎学利爝有限元分析法、有耀蓑分法潜火灾辫：辘下液化气储罐热响 麈避稽7 模 ! 敛讲巍，褥到了锗罐戳及内部分震的瀑攫捅，鞣窥绻聚与所建立勰物 理模囊襁蜘套泌嘲。 寒涟海攀失学轮懿学院麓麴安全与瓣絷控粼赛穗褰铡瓣鸯藤蓑势洼辫均匀 囊瓣鞲髓下蒗爨稳热噙盔蒋随进器了横撩裂窕，零懿蕊渡黉髓髓爱蠹部奔震豹瀣 度糯，诗髯绻巢与英箧暾璎场实验结粟耱吻奢，褥盛避瘸簿陵无分析法诗冀了 液赞舱照的热威力、机械应力和当量总应力，对液蟹黼炭熬抚理进行了深入分析， 并绪食澈货舱失效的特点和要求对液化气船缀舱程祷温环境条件下的失效风险 避行了评估和研究删。 由于投入不足，上述机理探讨及数值模拟研究誓作均熬谯国外公开发表的实 验数獬蕊戳上进行的。尽管如此，这些研究工律仍怒汗鬯4 性的，毫无疑厨的对发 震我黧渡饿气类物晶辩安全贮运技术具霄积极静推动襻爝。随饕园家对蒗纯气安 囊赭嚣姆避输瓣甭蘩重视，麓该方蔼的鞣究遵透灏潦a 。 麟急，萋簇瓣遴嚣7 一系列藤壁渡纯糍麓罐破鬟鲮攥辫瓣磷巍踅箨，取褥了 一定静磷巍壤慕，健是氇毒在溪丈韵局限髋。详纲的舔巍瑰鼗特嚣霭裘| 。 l p g 船圆柱型压力舱在单侧火焰下的热响应及应力研究 表i 火焰环境下液化气储罐的热响应数值模型比较 t a b l e1c o m p a r i s o no fn u m e r i c a l o d e l so nt h e r m a lr e s p o n s e o fl i q u e f i e dg a st a n k s 模参 型 软件名称或开 模型的特点及适用对象主要功能对比实考 分发单位 验文 类献 1 装置特点：水平圆柱型储 罐；储罐可有绝缘层。 z 热特点：可以根据用户 美国马里兰大1 ) 储罐外环境与器壁的传提供的数据进美国 学与西德模型热：火源可以是池火，附近行瞬时计算，也 1 2 5 立 4 、 维( 1 m 7 )火源、太阳辐射；储罐可有可以储存计算方米液5 、 均 绝缘层。 结果，不能用来化气储 6 匀2 ) 储罐壁传热：一维的；稳预测储罐爆炸罐实 全卷的。时间。但是可以验，英 包 3 ) 储罐内传热：液相区仅考 解释一些现象。国5 吨 围虑自然对流；考虑到热边界液化气 火层储罐实 焰 验。 模装置特点：具有防护措施。有效预测了具 型 2 传热特点：详细论述了储有不同防护措 俄罗斯防火科罐外环境与热绝缘层之问的施如热绝缘层、自身进 1 6 、 学研究院模型传热模型发泡型防火涂行的实 1 7 、 料、水喷淋等的验1 8 液化气储罐的 熟响应。 第l 鬻雏谂 | ，装置赞癔； 1 ) 球罐，水平圆柱形储罐； 2 具有防护措施( 水喷淋。弼以黪潮模揪 2 。祷熬将焱蠡穰麟交煞誉 1 ) 罐辨邵髓与器壁瀚特熟： 醐瓣罐鞭蕊滞【2 铂 懋瓣滤波失擎均匀垒魍潮袅熬；考感到袁 鼹熊熬髓鬻懿 摸爨辍蓊瓣 凑寤鹫錾袈灏瓣浚。 熬瓣痣，港纛翔 2 褊罐鳖靛镱熬：一壤豹；蕊嚷辫黪鬈斓， 菝蠢零熬；魏镳然避簸罐 黪秸罐内余震蒋热；考虑戮攀瓣竣静囊蹙 沸薅捩熬。蠖撬蠼参港。 1 ；装置骛杰：瘩平潍糕瑶； 二 具有防护字蹲施( 热绝缘屠或 壤壁 。 类营静 均2 ，倦热特赢；绷实 留舶黎大新幂艳t ) 端罐辨环境与潞壤的德 雄祺瓣确模拟验，鸡 垒臻瀛太学搂毅热；瓣麓熔毽萎盛戆i 考意 蠢鞭鬻羚国叠簿戆氧 。鬣 戮。惑黪- l 对藏期辎瓣。毽隰袅焰下承黼实 。髓 鬻站德穗鏊椽热：考虑绷罐罐警隧犍黪耱壤 验，樊 ：交缝缘瑟蠛攮鹃薅热。戆熬翁纛。鏊瓣 十 娲霉德罐逡祷燕；考虑翻气凌黼窭 搂嚣耪的熬静震骥囊遗黪蹙 辘。 繁考虑到液糯区自然瓣流剿蒋 睛的全过稷 * 蓐- 秘臻艇图鞋壁压力簸程攀镧巍憋下酶熬响盛及趣宠磷巍 l 。装置蒋纛；承擎斓拣攀穰 罐 2 持热特点； 1 ) 储罐外环境与器壤之间的 龆拿犬瓣暴鲶稼热；垒包麓瀚蝴炎熵考可 凌毙较潍穗 臻纛大攀搂蘩瘩嗣辗嚣鞫瓣濂。窑德罐壁酶攘錾均鸯惫l 髑德 1 3 ， 黼s 嘲)赞熬；二笺麓# 雅稳态瓣。包圈炎焰节躐罐实验 1 4 3 ) 储罐冉捧熟；气糯嚣传热平圃柱形端罐 只考虑自然_ 对瀛，怨略锅射的热响应。 与热传导；藏襁隧侮热考虐 裂自然对藏翱缓煮沸鹪、熟 黪燕、蘧：器鏊。 1 装莲虢纛；承警嘲键形箍 罐；储罐具有热僳护艨。 = 2 传热特点：可以模拟誉阐 缍 1 ) 储罐外珂：境筠器麟之间的型号的安叠阀； 趣 传燕：炎焰藤戳怒繇缝薄必 可鞋棱撤誉黼 匀睽| 考癔到辐射鞫澍流；怒耋案、誉鬻巍装 瓣葵濑焘律略了安垒阀麓耩射黟确。璧静髓罐辩懿 分磷究所摸熬2 ) 储罐璧的转热l = 缝的；全褥打开埘湖、0 。2 5 、 1 l 】 火 ( h e 卜滞) 非稳态的储罐压力燮化，l 、5 吨 焰3 ) 储罐内部传热溅糨对流气液相温度，液的液化 雹毒摩刘自然对溅、羧褰沸腾，傣瘩平纛、德糕气髅罐 豳隧卷沸錾；气稿瓣漉霞鸯寤璧溢痊变伐。 搂 爨然霹漆；考感蚓爨夔耦鸯垂煮韵矛簸魏气 型 裢气体和液体暧收情糯储存与运输巾 储罐的设计麓 操作 。 第1 章绪论 i 装置特点：圆柱形储罐； 具有防护措施( 安全阀、外 壁热绝缘层以及水喷淋) 。 2 传热特点： 1 ) 储罐外环境与储罐壁传可以模拟水平 热：外部火焰模型分三种情圆柱形储罐在 英国健康安全况考虑：中部、尾部记忆全火焰全包围或h s e 实 行政署模型包围火焰( 辐射和对流x 单部分包围或单验， 1 2 】 ( n 姐几f 一)侧火焰( 纯对流) 、远距离辐侧火焰等情况0 ，2 5 、 射火焰( 辐射和对流，实饵下的热响应，主i 、5 吨 计算仅考虑辐射) ：考虑到对要包括安全阔丙烷储 疏和辐射。的运动，液相区罐实 2 储罐壁传热；全包围或部温度，热绝缘层验，全 分火焰；可以有绝缘层；温度、水喷淋情包围火 3 储罐内传热模型：气相区况，储罐失效预焰，无 传热考虑到加热壁与气体， 测。 绝缘层 加热壁与未加热壁之间的传 的 热。 1 装置特点：圆柱形储罐； 朱考虑防护措施。 2 传热特点： 加拿大新不伦1 ) 储罐外环境与器壁之问的 可以正确模拟 瑞克大学与国传热；全包田火焰。均匀火火焰全包宙或英国n 5 家火灾实验室焰；考虑弼对流和辐射。部分包围环境h s e 实 模型2 ) 储罐壁传热t 二维的t 非下的液化气储验 稳态传熟。罐的热响应。 3 ) 储罐内传热z 液相区传热 仅考虑自然对流，未考虑沸 畴。 8 l p g 黪毅犍壁篷隽簸雀攀镳炎热下酌熟响应爱窿办掰巍 可以用来模撖 1 。装置特点：投有鸯虑防护诸如储罐压力， 措施。装料各区温度、 2 。赞热特意；整鏖、菇，懿罐 | 穗罐舞舔缝每黎臻怒潮懿壁蚕阕繇霞灌 懿黎夫 童雾、 悸热；均匀必嬉 鸯虑剃辕痍等参彀随时瓤誉僚2 0 北京科搜大学射与耐流间的变化；可用 端宽火 模墅l2 ) 储罐壁传热：二瞧的；非于预测火焰不攀火焰 獠卷； 秘程度包围谧斟攀耕 3 穗罐癍筵热；藏攘蔽簿薅餐渡德气麓鹰炎挚心 囊熟透器甓；考遵戮翥熬澍受褚罐，赭罐纛憋枣麓 瀣，沸腾撰热；考磨瓣热势凡博形状稠大燕验塞 层；气相区传热毒廖剁辐射小不同，储罐内赛鹱 龆对流。所装物质不同 的热响应。 可戳辩菜承警 1 。装耋篱焘；拳警圈徒辫辅艘鐾憋舞撞黪 黻形褚罐；考虑剽防护搂施白孽渡袍气压为 ( 保温层) 储罐的热响威 2 。传热特点： 过程进行仿真 l 储罐卦环境与器麓意阕鳓模拟，包括压力 武汉变谖辩拣魏熬；均匀必焰；考纛剽鞴变张、苓爨区域【就， 麦攀攘懿麓雩瓣漉。 。 麴溢痍爵泰、德2 羽 g 锫罐壁倦燕；二雏的# 雏罐虑井壁酶溢 稳卷。 度分布，介质质 3 ) 储罐内传热；液栩鼷滞虑置变化，介质填 剿热边界甚；考摩剿稳然对充率变讫，赍质 藏、撵瓣撬熟；考虑剽熬癸 耨菠率变诧等， 瓣 曳鞫嚣赞蒸考巷粼壤瓣薅显霹黼缝剃 暂撇。该响应过程鹣 参数曲线。 一奎* 第l 章绪论 二 1 装置特点：水平圆柱形储可黻澍盛村博 维罐：无保护措糟。 缡韵撒洋嘲槎 嚣 2 传热特点：形巍滩均匀单 坶 l 储罐辨环境与器璧之阈静铡火焰踯麟下 键就窳辩羧夫学赞热；毒# 蚜匀单捌必鼹；考 的热蝻纛蘧簿黼牵秘l 】 炎竣掇蠢 惠劐对漉霸疆辩。2 糖灞夔耩攥，为舞皴睽蘩獠趣 煽黉熬：二壤瓣；毒穗卷。惫蠛撬戆簿瀵、蜜穗 毽 黔髅罐内转热t 凌捆蘧孝纛耩瓣臻嚣覆呋 丽 掰逮羿瀑、燕势屡戳及游黪爽攀敝攥供黪 模换热等；气枢区考虑列对流。鬻的矮谂裱撵。 溅 与辐射 - l o - 秘嗨船圆柱垂压力艴在单侧次焰一f 的熟晌成殿纛为磺袋 1 。3 零论文的研究内容和目标 综上所述，对液化气液货舱在火焰环境下热响威斌程殿零i 发液化气液货舱爆 炸藻嗣的磷巍，具煮重要豹理论意义及实际应用豁德。国予闯鼷的复杂性，国琢 圭瑰瓷鳇瓣究德存在诲多不是之处，黯渡傀气滚货艨爆烽鹩艨阉瀚亲彀褥一致靛 罐谂。瓣内避麓黪谤究基本上楚予定性黪折酴段，懿皆溱垒餐各方覆熬潺霪，进 器蜜虢瓣究的霹簿毪不太。翟就逶爝羧馕薅冀麴巍法澍攀洒慧避行舔究摄商必 耍。 零谚文瓣工作是在蘼入的基础上开震懿删。燃学褰鼯火焰加热的不均匀 性，赫人所模拟的均匀加热方式应用范匿撩蠹有隰，模拟非均匀加热情况能够更 好的符静鬟际情况。本文将在前人工作的基础上，澍鹧侧代焰加热条件下液化气 液熊舱的热响应过程进行数值仿真，运用实骏数槠骏诞模型的合理性；运用州s y s 软件，计算液货舱内外壁瞬态热应力、机械应力靳渤壁总魔力，并对液货舱在高 灞离魇骄蟪申舱壁应力变化进行分析，具体研究内释和籽标翔下： l 建藏攀捌炎焰和液赞艟静壁之润的攘热横型，模拟非均匀翔热条件下渣 赞麓鹣褥热赞瀵邋纛。 2 虢遴濂赞凳热晌痤貘型麴台理经。 辩逡掰袁髓鹦较律，诗篓滚费憨内岁参壁瓣瞬蠢热纛旁，橇穰应秀嗣当量慧 废舞，辫液赞簸盔高温悫匪环境中舱壁窿为变谯遴符分拆。 第2 章单测火焰环境下渡赞齄熬喻艘数学横愁 第2 耄单侧火焰环境下液货舱热响鹰数学模型 嫩焰环境下液化气液货舱热响应的研究圭爨分为阿豢：一类为均匀火焰，另 一豢泊单倒火焰。本章内窑的研究是在均匀火焰鞴境下液化气渡熊舱热响应研究 鼬蒸磁上弹惩的。 2 ， 避髓钓攥凿 2 。1 。 磷巍瓣簸 盛餮渡纯气的压鸯滚货舱丈爹属予中、僬爨薄熬渡爨堍，豢霓的液货舱惩俺 形状帮拳警圆柱体型、垂壹睡桂体，球形渡赞髓、矩形渡赞舱。本文的研究对象 为盛槲丙烷的水平圆柱体型液货舱，带有安垒阀门。 2 1 ，2 附题盼传热学描述 零阔题从传热学的角度可以描述为：对带有寂套阀的封闭液货舱在不同充满 状夯以腿液化气介震均匀、非均匀加热条件下，抟熟撬博殿鹱为响应以及液货舱 内套袋麴溢魔势奄稠液货舱内辩表面温度分布簿瓣研究。磷究翻的是为了解决以 下一夔润越：纛肇瓣穴赌巧境下，确定液赞齄海静压力髓瓣附鹣变纯；渡赞艴魏 蜜垒润髓燕舞鞠黠瓣酶撵霉袈薰；在安垒澜动棒熬避糕，滚赞舱纛滚纯气鹣覆 蠢爱离壤黪燮纯；囊金瓣及渡赞麓昃寸簿液爨戆懑热变攥避程的嚣镌；滚赞籀表 萄的溢麓分露爱变忧壤律等汹瞬。 黧。2 翰理模型的描述 黧，2 ，1 物罐横型的空间描般 密问上，盛有液化气的液货舱在火焰环境下豹热嘲戚黼趟可分为三部分：液 囊舱髑豳的火焰环境；装在液货舱内的液化气介藤i 介带：喾问的液货舱壁。通 过褰验观察，我们还可以把加热初期液货舱内液傀气舟艨势为朗个区域，鄹：蒸 汽莲，熬努簇区，边界层区爱过冷液律区，物理模型鲡圈2 。( 盛) 新示。 秘嗡船圆柱型压力舱在荦侧火焰下的熟嗨成照艨力研究 纽 速霹瑟 图2 1 液货舱物理模型 r i g 2 1p h y r s i c sm o d e lo fl i q u i dc a r g o 睡 液赞趟辨赫温环境是弓 发液化气液货舱爆炸的藏簧艨鞠，根据火焰包围液化 气渡巍鲶的耩瘦藕加热的均匀性，可分为纂侧火焰翻均匀火焰( 或池火) 。火焰 矮越糟溅翱耦囊| 瓣焘或期滚赞毒畲壁传热，均匀炎嫡祷撼下辐赫餐热是主要懿转 熬，攀捌必娲臻境下黠藏撰熬鹣滗铡大大避瀚。滚麓麓释繁剽渡赞熬肉壁澜戳导 熟秀蔑耱遂熬爨。瀛货舱内液纯气善医麓熬穗纛避麓魄羧鬟杂，备医阀的燕晌痤 是霪翱菠鞭的。蒸汽区戆主要簧热方式黄对流霸辗瓣，滚搏箧酶傣燕特茬主要壹 渡黛舱麟麟和捆邻液体闻的温差决定，一方西势窳隧晌鞭部接受与蒸汽区相接触 的溅辙舱麟的辐射捧热；另一方面，边界屡不断从避冷液体区吸收质量经壁面加 热詹遴八分蔗嚣对其加热，层内从上到下的传热过耩掰近似看作是热传导过程。 分熙隰嗣蒸汽区的联系是通过气液交界丽的蒸发和冷凝# 过冷液体区是由分层区 底郝的黪热，边界层边缘的气泡塌陷放热，液熊舱底部的宣接加热进行的。 _ 2 。2 麓麴理横裂韵时间描谜 蹴湖上，渡赞熬内滚耗气稳熟墒盛过程霹努势蹲个瞬歉。簿一输莰中，渡讫 气瓣滚鞘懿魔来迭羽憋和，签予稿应蘧为下鹩过冷犊杰。第三豁黢孛，液辘一直 懿予锪翱拣淼； 液货照内滚纯气在第一除袋蘸撵热特薤翔匿2 。l 赫掰恭，冀逮程可描述兔： 纂窆章擎翔炎憋丽壤下波黧麓熟晦纛羧攀穰墼 在初始状态，液撩腑内液化气处于平衡状悉，蒸汽相与液相均处于环境温度和储 存压力下的饱和状恋。当环境温度突然耕满时，液货舱壁被加热，靠近热壁面的 滚体出现自然封瀛现象，通过边界屡健被加热酌液体沿壁蘧向上遥渤，这部分渣 捧烈这滚薅表霪瑟，辣羧燕量麓热滚籀隰琰鬻，黪藏熟努层篷，然瑟叉赫下运动 劐较冷戆滚钵嚣，再进去逮界瀑送行上遴避程。这样，在滚爨瓣浅垂直考海产玺 温度梯度。在蒸汽医，由于蒸气的瞻热避小于液相的比热。因此濑度上升很快， 相应地使液货舱的压力迅速上升。在蒸气区与液体过冷区之阀形成一个热分层 蘧，它的硬部温度淘液货舱内相应蘸力下鳓螭朔温度，藏都温魔怒锻律过冷廷温 褒。屡内潺凄梯缱熬太小期缀多阕素鬻装。豢验表鬻，装辩蕊警鹣蒲麓是影畴澄 度襻凌鹃一个蕈襄豫豢。装料拳平越诋，势靛蘧越薄。箕簿囊藏孵闺舔变倦。壶 于边界层在凹爨舔处形成，浮升力的作用德边界层在液货舱底部脊髓稳定，边界 层只在距液货舱戚鄯的某一点处形成。遴避溅受热的液货舱底部黜液体过冷区进 行直接加热眦利) 。 随滚爨黪蕤激魔滤蒂龋舞离，边器屡麓渡鲎齄壁酶接熬由邈熬对流按熟转换 舞沸薅换热，溅体黪貔动翔铡，糗热效慕天煳疆。在透雾屡辨进缘漱予滚俸酶 过热量不髓足够阕乎维持气泡酶生存，馊气泡塌陷与过冷液体期瀛台藤对其加 热。液相区向蒸气隧的蒸发过程取决于澈相匿获得的热量和液赞i i 愈内压力在分 层区内蒸气气泡的遴动与消失使层内传热避稔复杂化。 惑之，在缓纯畿滚赞舱内过熬蒸气蓐逑拎渡体同时共存，鼹医之阉交努瑟嚣 努嚣，迷雾震蕊襻测是连接壁覆、蓬冷滚髂嚣、势漂区、德赣溅蒸黎巍萋。 隧着如热遴程的进行，蒸气压力超过瞬f l 拄开压力，褥门趣渤抒并，一部分 蒸气通过阀门向外喷出，液货舱内雁力携遴下降，同时由予鹰为下降造成液相区 顶部部分液体过热，迅速汽化，在液栩医声生太量气泡，造成泼雠商度抬升，使 一部分气液藕籀混意裙从瓣门直接囔出。溺液赞舱海匿力下降剿蠲辩蓉蝴压力 懿，瓣门美禳，渡赞慧内莲秀孬浚嚣藏，瓣格茭存静分屡透叉套被蠖缝。润船重 复进行打荠一蓑隅嚣开的过稔，誊祷a 簸赞靛豹热量霆够爹，剿阀门保持打开 直到液货舱内装料从阀门喷完。 随着加热过程的进行，液相区温度鹾渐趋予相同，则加热进入刹第二阶段。 这时液捆延处于熟均匀状态，如图2 。2 鹣) 濒示，整个液楣蘧成为均匀的气藏 l p g 熬躅柱鎏压力戆耋纂恻必焰下的热蝻巍获波力礤究 两相熬释区。这时液黛舱内其分为液体医和蒸气区，与蒸气之间的攮热藩数较小， 因此其温度在加热过程巾升高的很快。辙终温度可以达到7 5 0 以上。曲于液面 高瘦麓攀髓变诬，襞褥一藤奢鏊瑟时瓣被液律浸澜，瞬瓣在滚瑟之上，游致逮黧 分壁霾的温度在一个羧大静范圈瘫波动，产生较太瀚热疲力。液赞黥糍耪科在离 温下瞩度的降低、液赞舱壁热应力及液赞舱内压力引起的应力，很容甥引起液货 舱嚣被疆溅爆炸。 2 。3 数攀模型的建轰 在介绍数学模型的过程中，为简化问题。我们假寇； l 驻力在掖货舱斑气捆是均匀麴，窀只是对阔的缀数； 霪辫承平嚣鞋律满赞舷采用三缝模鎏，既议毙瓣裢瓣长度运夫予簋经，更 讨论一个箍直截面的行为； ( 3 ) 液货舱在单侧火焰下的热响应趱程按区域可分游三部分；液施舱内舟质 愿靛、液羹熬磐纂测火焰环凌殛将薄赣势磊懿滚爨舱壁毽捶蜜垒瓣) 。蠡学 模型墩接兰部分分裂蔫立。 2 3 ，l 火焰温度变化横越及其与液货舱壁的换热模型 l ，基娲濑寝变他麓数攀模型 程趱h s e ( h e a l t h 纛s a f e t ye x u t i v e ) 孛疆场察骧数据遴行势析鹣萋础土， 我们可以将火焰温魔随时间变化的飙律袭示为： 援移霉毫黔o t 颤 穗；， 其中q 和毛是两个时闻常数。调整遮蹲个常数，可以使数学模型逼近火焰囊 实行为。为简化起见，将式2 1 表示为； e t , - 百r , o = 焉z 箍斗焉 诅2 ， 蕉皆赣是一夸珞大擎零靛鬻蘩，表嚣炎嫠初始滠凌麟太子环凌滠壤；岛霞映 火焰的纯延时时间；如魇映加热火焰本身需要的容积禚时时间；刁表示火焰温 第2 章单侧火i 舀环境下溅微舱热响魔数学模墅 凄；气浚添繇壤瀑凄；毛，表示最大炎热温发e 袋菇麓2 赁表示豹夔线麴瑟袋2 新懑； h 室润 嚣2 。2 必辫溢蕊隧隧辩戆交恁 h g 2 。2t h e f i r et e m p e r a t u r ec u r v eb y t i m e ( 2 火焰与澈货舱外壁问的传热模型 视火焰情况不犀弘外部热环境可臀为均匀火焰环境和单侧火焰环境。由予本 文锤程均匀火焰的基础上开展的，所以猩此熙舟绍单侧火焰环境下火焰与液赞艇 辨壤翔姻糖热模型。 在攀瓣必焰条僻下，对流换热在换热夔学懿跷铡明显摄蔫，嚣显对流按熟系 熬熬瀵赞簸辩襄蘧篷鐾蚕阚霞零阂。攀髓犬熔每渡爨簸之麓麴对瀛撬熟系数鸯攀 谶次焰赡雷遴爨晒有美，对瀛羧热暴数浆辫遴数麓斡美蒹在滚簧麓舞亵蘸星一 宠黪努帮潍蝣。攀侧火焰黯液赞舱躲黯瀛撬热尊单侧火焰的莺诺数r e 霄荚，熊 搬瓢的定义是： re ：殳也 ， 慨3 ) 纛0 怒火焰单侧速度，d 是液货舱特镊尺寸。根据鼬的大小，可分为以下三 巾题。 r e 9 xi 旷为超临界区 对流换热系数程液货舱外表面的分弗妇实验提供。如图2 。4 所番，酉整理成： 磐：删 ；= 2 瓣l 帮| # r e 4。裙。 英孛，阮魏势澍承特鼗，移是圈袭露誉阕焦对应的囊鏖，腻雷蓼鞋点测莛。 液货舱接受单侧火髂加热时，在灌费舱黼蕊和背面的火焰漱魔念有所不同， 我们用珞与豢承右侧( 面向) 和左侧( 鬻向) 的火焰温度，则慰侧有效辐射换 热系数为 2 1 ：写臻珐装强母 娌巧 s 镕嚣f 左侧有效辐射换热系数为 4 1 ：5 娥瑶+ 2 x + ) q 8 辘 毫g 蒸孛，艚繇磐剐簿渡冀簸多 表蔼期火髅瓣发熬率，g 燕熏黼辐射鬻鼗。 于是，对渡赞舱外表箍任意一点，我 f i 裔： 如= 吼+ 诉一以+ 绋) q 一咒) ( 2 7 ) 其中，吼和醵势制为对流换热热流霸辐射换热热流。鬼翻虬势剐为对流换 热惹鼗翻辐射捺熬囊数。 二 “ f 面1 l _ 搠- l _ 驷删_ _ 婚 鬻辇+ 3 薤瞒爵、冁嚣。趣瞒棼祭释下褥圆周的巍熟 2 。3 2 液货舱繁瀛廉煽模型( 不包括绝缘愿) 渡赞舱壁的溢酝翰可以通过求解二壤饕糖惫编微分导热方程获得。针对渡赞 繁2 鬻攀铡炎鹅繇壤下滚蕊熬熬晌霪数学模鳖 舱的形状，可写出如下形式的导热方程f 矧。 承平圆麟吾导( ，豺窘一争誓 缇8 ， 其孛，善襄示滋蕊，尹表示誓径，够隽瓣逮麴燕度，p 囊示渡受熬鐾懿密度， e 。秀液货鲶壁懿魄热，k 为滚夔舱壁熊熟健静蓉数。 2 3 。3 液货舱内舟麟的热响应研究 对于液货舱内介质的热响应情况，阂内辨很多单位和机构都进杼了研究。目 瓣毙鞍常雳的模黧裁是在渡货舱兖装鬻掇糕鹣馕况下把齄穗劐努麟滚体区藉蒸 汽医，瑟在竞装察瓣静穗魏下把憨瓣黧分溅避冷滚律区、逑器鬣嚣、势瑟莲煮蒸 汽区，进丽运曩懑鬣守懂和质量守壤建建蠢狸求解，不过在备囊的鞣究中为了方 便求解都做了镳辫假设。这在一定程魔上影响7 结果的准确牲。为了猴确计算单 侧火焰下液货j 9 台麟的温度场，进而计算液旋舱壁的应力场，从丽凇确分析液货舱 鹪甑裂、爆炸瓣霸，本文在荚国i , i s , e 在1 9 9 5 年7 胃、8 男和1 0 凳炳徽的现场 囊验掰得藕票鹣蒸鞠主，对幂嚣兖装攀爹熬内气籀翔渡鞠穷曩瀑凄髓冀耄闻酶变纯 情况送行了缀合，褥掇器气耱区态气臻黪靛怒煮程求褥滚赞臆陵穗聪力。 图2 4 - 2 ，8 分潮是2 0 、4 1 、6 嗍8 0 壳裟率情况下液赞舱内舟质温度( 随时阃( s ) 的变化曲线。圈中上面的是气栩介质的温度睫时阊变化曲线，下面的 漫液楣_ 介质韵温艘隐射间蔓他赫线。 一 嚣一 l p g 躲圜毪鳌匿蠢舱在攀溅必熊睾豹热璃虚爱窿宓醭巍 ( 1 ) 2 0 究装率下 圈2 4 液货舱内舟质温度响应曲线 f i g 耋一翩撼c o n 协i n e ro u t s i d et e