液化天然气泄漏扩散过程数值模拟

【摘要】：液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)作为一种清洁、高效的能源,在工业生产与日常生活中受到广泛应用,由于LNG具有低温、可燃等特性,因而其安全问题一直备受关注。现有研究结果表明,液化天然气发生泄漏事故之后,泄漏出来的低温液体及其蒸发形成的低温蒸气云将会对周围的设备、人员造成危害；若遇到火源,将形成池火灾或蒸气云火灾,造成的危害更是不可估量,而外界环境因素则进一步影响了其危害程度。因此,有必要对液化天然气的泄漏扩散过程及其影响因素进行研究,预测事故造成的危害范围,以指导制定应急预案。鉴于此,本文进行的研究工作主要有：(1)以高斯扩散模型为基础,提出了非点源高斯烟羽混合模型,克服了高斯烟羽模型不能计算连续泄漏源的初期浓度分布及非点源的泄漏扩散问题。以MATLAB软件为计算工具,建立了LNG泄漏事故危害评估程序,可快速绘制出天然气的动态扩散过程,并自动进行危险区域划分,该过程可在数秒内完成,可及时为救援过程提供指导。(2)从流体动力学角度出发,利用CFD软件FLUENT,采用Realizable k-ε模型、组分输运模型、DPM模型,对液化天然气泄漏事故中涉及的流体流动、物质扩散以及蒸发相变问题进行了数值计算。选用了国外大型LNG泄漏实验-Burro系列实验的数据进行模型验证,结果表明：建立的预测模型可以很好地模拟气云的运动扩散过程；监测点及固定平面内浓度分布规律的计算结果与实验值比较吻合。(3)通过数值实验,研究了大气条件、地理环境等对气云扩散过程的影响,主要研究结果表明：大气风速对气云运动扩散的影响主要体现在顺风方向上,风速越大,对气云的平流输运及混合稀释作用越明显,导致气云的运动扩散越快；障碍物的存在增加了其附近流场的湍流程度,促进了气云与周围空气的混合,但阻碍了气云向下风方向的运动,减小了有害区域在下风方向的范围；上坡地面具有与障碍物类似的特性,增强了周围大气对气云的稀释作用,因而形成的危害区域消散较快,而下坡地面由于地势低洼,气云受重力作用堆积于下坡处,不利于扩散,因而形成的危害区域不容易消散。(4)以LNG泄漏扩散模型为基础,耦合泄漏源模型,对大型储罐的气相泄漏、液相泄漏及围堰作用进行了模拟分析,结果表明：液相泄漏事故造成的危害显著大于气相泄漏事故；围堰阻碍了液池的扩展和气云的扩散,降低了围堰外围区域的危险性,但增大了围堰内部区域的危险程度。最终,参照某LNG接收站的实际场景,建立了该接收站的LNG储罐泄漏扩散模型,对形成的危害区域进行了预测,为应急救援提供了建议。 【关键词】：液化天然气 泄漏 扩散 浓度分布 危险区域
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TE88;TQ021.4
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 引言9-10
• 1 文献综述10-30
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 LNG泄漏扩散过程简介11-13
• 1.3 LNG泄漏扩散研究综述13-28
• 1.3.1 泄漏源及气体扩散工程计算模型14-20
• 1.3.2 LNG泄漏扩散大型现场实验20-25
• 1.3.3 LNG泄漏扩散过程数值模拟25-28
• 1.4 本文主要研究内容28-30
• 2 基于高斯扩散模型的泄漏扩散过程计算30-42
• 2.1 非点源高斯烟羽混合模型的建立30-32
• 2.2 模型验证32-34
• 2.3 模拟结果及分析34-41
• 2.3.1 动态扩散过程模拟34-35
• 2.3.2 危险区域划分35-38
• 2.3.3 扩散过程影响因素分析38-41
• 2.4 本章小结41-42
• 3 LNG泄漏扩散过程CFD模型建立与验证42-54
• 3.1 数值模型42-44
• 3.1.1 湍流模型42-43
• 3.1.2 组分输运模型43
• 3.1.3 离散相模型43-44
• 3.2 几何模型与网格划分44-47
• 3.3 网格质量控制及独立性分析47
• 3.4 边界条件47-50
• 3.5 模型验证50-53
• 3.6 本章小结53-54
• 4 LNG泄漏扩散过程影响因素研究54-65
• 4.1 风速影响54-56
• 4.2 环境温度影响56-58
• 4.3 障碍物影响58-61
• 4.4 地形影响61-63
• 4.5 本章小结63-65
• 5 大型LNG储罐泄漏事故模拟65-81
• 5.1 大型储罐泄漏扩散过程模拟65-73
• 5.1.1 大型储罐风场模拟66-68
• 5.1.2 气相泄漏源泄漏扩散过程模拟68-70
• 5.1.3 液相泄漏源泄漏扩散过程模拟70-73
• 5.2 大型储罐围堰影响与防范作用分析73-76
• 5.2.1 围堰参数确定74
• 5.2.2 模拟结果与分析74-76
• 5.3 LNG接收站实际地形下泄漏事故模拟实例76-80
• 5.3.1 模拟实例参数设定76-77
• 5.3.2 模拟结果分析77-80
• 5.4 本章小结80-81
• 结论81-82
• 展望82-83
• 参考文献83-88
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况88-89
• 致谢89-90

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