基于ANSYS的LNG储罐稳态蒸发率仿真实验

管 官, 林 焰,2, 杨 蕖, 周 帅

(1. 大连理工大学 船舶CAD工程中心, 辽宁 大连 116024；2. 大连理工大学 工程装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024)

基于ANSYS的LNG储罐稳态蒸发率仿真实验

管 官1, 林 焰1,2, 杨 蕖1, 周 帅1

(1. 大连理工大学 船舶CAD工程中心, 辽宁 大连 116024；2. 大连理工大学 工程装备结构分析国家重点实验室, 辽宁 大连 116024)

将LNG储罐稳态蒸发率研究内容引入实验教学,开发了基于ANSYS的LNG储罐稳态蒸发率仿真实验。利用ANSYS进行仿真实验,可获得LNG储罐稳态温度场分布以及不同环境温度、不同保温层厚度、不同保温层导热系数下的稳态漏热量及蒸发率,便于学生理解LNG蒸发规律。通过该教学和科研相结合的仿真实验,提高了教学效果,有利于提高学生的仿真能力,培养学生运用实验手段解决科研问题的能力。

LNG储罐； 稳态蒸发率； 仿真实验； ANSYS

科研带动教学是研究型大学教学改革的重要内容之一,具有教学方法和教学内容上的创新性[1-2]。在教学改革中,将科研课题融入实验教学,使学生接触到工程实践,有助于提升学生的学习积极性、培养学生的科学素养、提高学生的工程能力和创新能力[3]。

液化天然气(liquefied natural gas,LNG)是一种易燃、易爆的危险化学品。随着LNG船舶数量的增加,LNG运输安全问题备受关注。为保证船舶LNG储罐的安全使用,其绝热性至关重要,而蒸发率是评价LNG储罐绝热性的重要指标。因此,关于LNG蒸发率的研究,无论对于工程应用，还是科研、教学,都具有重要的意义[4-5]。

为培养学生的科研能力与创新能力,将LNG储罐稳态蒸发率研究的内容引入实验教学,设计了基于ANSYS的LNG储罐稳态蒸发率仿真实验,为学生创建了一个接触科研前沿、应用专业知识的平台。该科研与实践相结合的实验教学模式提高了教学质量,有利于培养学生的工程能力和创新能力[3,6-8]。

1 实验模型

基于ANSYS的LNG储罐稳态蒸发率仿真实验对象，是大连理工大学船舶制造国家工程中心研制的1.5 m3独立C型LNG储罐及保温层(已授权发明专利)[9-10],对其稳态蒸发进行仿真。表1为1.5 m3LNG储罐的结构参数；图1为该储罐的有限元模型,使用ANSYS软件建模,网格尺寸为50 mm。

图1 1.5 m3LNG储罐有限元模型

2 温度场分析

采用三维模型进行温度场分析。由于该模型的对称性,故使用1/8模型计算其温度场。保温层温度场有限元模型如图2所示。液态LNG的温度取-163 ℃,环境温度取最高温度45 ℃,边界条件为外壁与空气产生热对流、内壁与储罐内LNG产生热对流,保温层的热传导系数为0.023、硬木的热传导系数为0.18。热分析单元采用Solid90,即20节点六面体单元。

图2 温度场有限元模型

使用APDL语言编写用于ANSYS中的温度场分析计算程序,利用ANSYS中的传热学计算原理进行分析,得到的温度场如图3所示。

图3 LNG储罐温度场

可见,从LNG储罐的保温层的外壁到内壁温度场的数值从2℃到-163℃发生变化。

稳态蒸发的计算,需假设蒸发的情况不随时间变化而发生改变,利用经验公式[11]可获得稳态蒸发率:

(1)

其中heat为漏热量,单位为kJ；BOR为日蒸发率；dens为LNG的密度,取500kg/m3；lamta为蒸发潜热,取511 kJ/kg；V为LNG的体积,取1.5 m3。

由ANSYS计算出:在稳态情况下,模型因为热传导及热对流所产生的总漏热量为136.43 kJ,进而可以求得日蒸发率为3.076%。

由于LNG储罐的材质不同,热传导系数也不同,因而储罐各个部位的漏热量不同。在建模中建立了保温层和硬木两种材质,图4为不同材料、不同位置的漏热量。

图4 LNG储罐不同位置的漏热量

可见,由于硬木导热系数较大,所以在硬木处的漏热量也会相应的增大。由于其导热系数差了一个数量级,所以产生的漏热量也差了一个数量级,从中可以看出漏热量随导热系数增大而增大。

3 实验结果与分析

3.1 环境温度影响

对1.5 m3LNG储罐在不同环境温度下的蒸发进行仿真,得到保温层厚度为0.3 m、保温层导热系数为0.023时不同环境温度的漏热量及蒸发率(见表2),其中环境温度15℃时的温度场云图如图5所示。

表2 保温层厚度0.3 m、导热系数为0.023时不同环境

图5 15℃温度场云图

可见,随着环境温度的升高,漏热量增加,LNG储罐的蒸发率升高,蒸发率随环境温度的升高呈线性增加。这是由于环境温度的增加会使LNG储罐保温层两侧的温差变大,因此单位时间内漏热量会增多。LNG蒸发得越快,储罐内部压力就越大,LNG安全储存时间也越短。

3.2 保温层厚度影响

对不同保温层厚度的1.5 m3LNG储罐进行LNG蒸发率仿真。设环境温度为5℃,保温层导热系数为0.023,漏热量及蒸发率如表3所示,其中保温层厚度为0.3 m时温度场云图如图6所示。

表3 环境温度5 ℃、保温层导热系数为0.023时不同保温

图6 0.3m保温层厚度温度场云图

可见,随着绝缘层厚度的增加,漏热量会变少,储罐中LNG的蒸发率也会逐渐降低。所以在设计LNG储罐时,在合理的范围内尽量增加绝缘层的厚度,这样能有效减少LNG的蒸发。

3.3 保温层导热系数影响

对1.5m3LNG储罐在不同保温层导热系数下LNG的蒸发进行仿真,得到环境温度为5℃,保温层厚度为0.3 m时，不同保温层导热系数下的漏热量及蒸发率(如表4所示),其中保温层导热系数0.023时的温度场云图如图7所示。

表4 环境温度5℃、保温层厚度0.3 m时不同保温层导热

图7 保温层导热系数为0.023时温度场云图

可见,随着保温层导热系数以倍数增加,漏热量和蒸发率几乎也以倍数增加。这是由于保温层导热系数的增大,就会使LNG储罐导入的热量增大,就会使蒸发变快、压力增加,减少LNG安全储存的时间。所以在设计LNG储罐时尽量选择导热系数小的材料作为隔热层。

4 结语

通过LNG储罐稳态蒸发率仿真实验可知:随着环境温度的增大,LNG的蒸发率变大；随着保温层厚度的增大,LNG的蒸发率变小；随着保温层导热系数的增大,LNG的蒸发率变大。该仿真实验可以给学生创建一个接触科研、提高实验技能的平台。在该项实验中,学生可以学习ANSYS的建模、仿真计算、利用仿真软件解决实际科研问题的方法。这种科研与实践相结合的教学模式能有效提高教学质量,培养学生运用实验手段解决科研问题的能力。

References)

[1] 许迈进,杨行昌.教学与科研并重:研究型大学和谐发展战略的重要选择[J].中国高教研究,2007,27(4):49-51.

[2] 张德高.科研教学结合为人才培养提供强力支撑[J].中国高等教育,2013,33(17):44-45,54.

[3] 吴再生,吴有训.大学教育思想及其在清华的实践:以高水平科学研究支撑的高质量大学教育[J].清华大学教育研究,2013,33(3):112-118.

[4] 邵小耿.1.5m3独立C型LNG储罐的蒸发率研究[D].大连:大连理工大学,2015.

[5] Dimopoulos C A F. A Dynamic Model for Liquefied Natural Gas Evaporation During Marine Transportation[J].Interna-tional Journal of Thermodynamics,2008,11(3):123-131.

[6] 周立亚,龚福忠,兰宇卫,等.构建研究型实验教学法培养学生创新能力[J].实验室研究与探索,2011,30(5):127-129.

[7] 冯根生,冯婷,杜春荣.基于学科特点的研究型实验教学模式建设[J].实验技术与管理,2012,29(3):239-241.

[8] 冯毅萍,张光新,荣冈.基于知识系统化重构的研究型实验教学[J].实验技术与管理,2012,29(10):154-156,168.

[9] 陈明,于雁云,李楷,等.一种独立LNG实验罐装置:中国,ZL201410290979.0[P].2015-11-18.

[10] 于雁云,林焰,陈明,等.一种LNG船用可调式保温层装置:中国,ZL201410155156.7[P].2016-03-02.

[11] 刘文华,陆晟.中小型LNG船C型独立液货舱蒸发率计算[J].船舶设计通讯,2012,30(1):25-28.

Simulation experiment of steady-state evaporation rate of LNG storage tank based on ANSYS

Guan Guan1, Lin Yan1,2, Yang Qu1, Zhou Shuai1

(1. Ship CAD Engineering Center, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2. State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

The research of steady-state evaporation rate of LNG storage tank is introduced in experimental teaching, and the study on simulation experiment of steady-state evaporation rate of LNG storage tank based on ANSYS is carried out. The simulation experiment with ANSYS can obtain the steady-state temperature distribution of LNG storage tank, and the steady-state heat loss and evaporation rate with different ambient temperatures, different insulation thickness, and different heat conduction coefficient of insulation layer, which can promote students’ understanding of evaporation law of LNG. The teaching effect can be improved by the teaching experiment combined with teaching and scientific research. It is beneficial to improving students’ ability of simulation and cultivating their ability to solve scientific research problems by experiments.

LNG storage tank; steady-state evaporation rate; simulation experiment; ANSYS

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.029

2016-08-27

国家自然科学基金项目(51609036)资助；中国博士后科学基金资助项目(2014M561234,2015T80256)；辽宁省博士启动基金项目(201501176)；中央高校基本科研业务费专项(DUT16RC(4)26)资金资助

管官(1983—),男(满族),辽宁丹东,博士,讲师,主要从事船舶与海洋工程专业相关教学与科研工作.

E-mail：guanguan@dlut.edu.cn

U677.2；G642.423

A

1002-4956(2017)1-0129-03