基于ANSYS的LNG储罐管路漏热影响仿真实验

管 官， 林 焰，2， 杨 蕖， 顾文文

(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储罐管路漏热影响仿真实验

管 官1， 林 焰1，2， 杨 蕖1， 顾文文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)

为更好地培养学生的科研与创新能力，将LNG储罐管路漏热影响的研究内容引入实验教学当中。利用ANSYS进行仿真实验，分别对管路的直径、壁厚和长度对储罐漏热的影响以及相同管路下不同保温层导热系数的漏热规律进行研究，获得漏热影响规律，便于学生理解。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实验能力和培养学生运用实验手段解决科研问题的能力。

LNG储罐； 管路漏热； 仿真实验； ANSYS

科学研究是高质量教学的有力保证，科研驱动教学是研究型大学教学模式改革的重要内容之一[1-2]。将专业前沿的科研课题融入教学环节，使学生有机会接触工程实践，有助于提高学生的学习积极性，培养学生的科学素养和实践创新能力[3]。

在液化天然气(liquefied natural gas，LNG)船型设计和船舶建造中，LNG储罐的安全一直是一个异常重要的问题。由于LNG具有易燃易爆的特性，为保证其在运输和存储过程中的安全，LNG储罐的绝热性就显得至关重要。目前国内外对LNG储罐漏热的研究很多，但对管路漏热影响的研究甚少。由于忽略了储罐管路漏热的影响，导致储罐漏热量的计算值与实际值有一定偏差。因此，为保证LNG船舶储罐的安全使用，对LNG储罐管路漏热影响进行研究，无论是从工程应用还是科研、教学来讲，都具有重要的意义[4-5]。

笔者设计了“基于ANSYS的LNG储罐管路漏热影响仿真实验”，给学生创建了一个参与科研、应用专业知识的平台，激发学生的科学探索热情，促进学生对漏热影响规律的理解，增强学生的仿真实践能力。这种科研与实践相结合的教学模式对提高教学质量、培养学生的科学思维方式和运用实验手段解决科研问题的能力大有裨益[3,6-7]。

1 实验储罐漏热仿真

基于ANSYS的LNG储罐管路漏热影响仿真实验对象为LNG动力船30 m3双层真空粉末绝热LNG储罐，罐体结构有内、外2层，中间填充绝热材料，其外观如图1所示，罐体参数如表1所示。

图1 30 m3船用真空LNG储罐外形

mm

相关材料基本参数为：

罐体材料导热系数：15 W/(m·K)；

保温材料：抽真空膨胀珍珠岩；

保温材料导热系数：0.025 W/(m·K)；

保温材料的平均厚度：300 mm；

LNG在-163℃时的密度(p)：418.6 kg/m3；

LNG气化潜热：511 kJ/kg；

设计充装率：90%；

LNG在-163℃时导热系数[8]：0.21W/(m·K)。

由于模型包括复杂的管路和设备，为了计算简便，对模型进行简化并假设：

(1) 外界环境温度保持恒定不变；

(2) 储罐内LNG为静态，任何时刻气液相都处于饱和状态；

(3) 单位时间内进入储罐内部的热量为定值；

(4) 热量传递是沿着保温层厚度方向传递，不考虑圆周向热量传递；

(5) 进入储罐系统的热量全部转化为罐内液体蒸

发吸收的能量，即汽化的潜热。

由于储罐是轴对称结构，故建立1/8储罐模型进行仿真，几何模型如图2(a)所示。

选用Solid70热分析单元进行仿真[9]，网格划分采用六面体自由网格划分方式，网格精度采用1/6的保温层厚度，共76734个网格，如图2(b)所示。

图2 几何模型和网格划分

假定内壁温度为LNG温度，对内壁施加-163℃的温度约束，对储罐外壁施加45℃温度载荷和12.5 W/(m2·K)的对流空气载荷，忽略热辐射的热量。载荷施加如图3(a)所示，温度场仿真结果如图3(b)所示。

图3 温度载荷和温度场

2 保温层内管路对漏热影响分析

相对于绝热层来说，储罐内外筒的绝热性能可以忽略[10]，但是保温层内部的管路打破了原来稳定、均匀分布的绝热层温度场，管路对热传导的影响较大。为简化计算，假定管内流体处于静止状态，热量在流体内仅以热传导的方式传递，不考虑因流动产生的热量传递。在船舶航行中，由于储罐的出液管一直处于打开状态，故选取出液管进行仿真实验。管路参数如下：

材料：9%镍钢；

导热系数：15 W/(m·K)；

管子外径：57 mm；

厚度：5 mm。

根据三维模型仿真漏热情况[11]建立的模型为保温层+管路+管路内流体的形式，外界环境45℃,选用四面体自由网格划分方式，模型如图4所示，仿真出的温度场如图5所示。

图4 几何模型图

在外界环境为45℃情况下得出保温层最高温度为44.5℃，即罐体外壁温度;管内流体最高温度为28.7 ℃;管壁最高温度为15.15℃。温度梯度在沿管壁的轴向降低得最慢，其次是管内流体的轴向，管壁和管内流体与周边保温层相比出现明显的温度梯度，这是管壁、流体、保温层的导热系数依次降低的缘故。

为进一步分析与漏热量的关系，取10～45℃区间、间隔5 ℃的外界环境温度进行仿真，得出漏热量随环境温度的关系如图6所示。

图5 仿真温度场等值线图

图6 漏热量随温度变化曲线图

图6中,Heat0表示仅保温层漏热量，heat1表示保温层加出液管后的漏热量。可见，增加出液管后，对储罐漏热量的相对影响使原有漏热量增加1.22%左右。

3 管路漏热影响规律分析

3.1 管径对漏热的影响

对原有管路的直径分别增加和减少10%、20%、30%、40%进行仿真实验，并采用“总表面积/管路横截面积”参数，以反映管径对不同容量的储罐漏热的影响。环境温度取45 ℃，按照上述计算方法得出不同管径下的漏热量，如表2所示。

表2 不同出液管直径下的漏热量

可见，随着“总表面积/管路横截面积”比值增大，漏热量逐渐降低，即随着管径减小，管路对漏热的影响逐渐减小，并且漏热量与“总表面积/管路横截面积”呈现反比关系。

3.2 壁厚对漏热的影响

由于管壁厚度基数小，壁厚的增加量相对储罐表面积几乎可以忽略。为了能直观地反映壁厚对漏热的影响，采用“总表面积/管壁横截面积”的参数。保持管路内径不变，环境温度为45℃，厚度每次增加和减小0.5 mm分别仿真,结果如表3所示。

表3 出液管不同壁厚对漏热的影响

可见，随着“总表面积/管壁横截面积”增大，漏热量逐渐减少，即随着壁厚的减少，管路对漏热的影响逐渐减小，并且漏热量与“总表面积/管壁横截面积”呈现反比关系。

3.3 管长对漏热的影响

为了分析管长对漏热的影响，以同样直径和壁厚建立4个不同管长模型，仿真温度场云图如图7所示。不同管长的储罐漏热量仿真结果如表4所示。

图7 不同管长温度场云图

编号管长/mm漏热量/W相对增大量/%13001089.7202.13210001080.7761.29317001080.0081.22424001080.9841.31

可见，管长最短时漏热量明显增大，管长增大，漏热量明显减小，管长继续增大又使漏热量缓慢增大，因此管长对漏热的影响存在一个临界最小点，储罐的漏热量首先随着管长增大而逐渐减小，当管长增大、漏热达到的临界最小点之后，漏热量不再减小。这是由于管路越短，其自身热阻越小，热量由外界沿管路很快传

递到罐内，随着管路达到临界值后继续加长，热量逐渐被绝热层吸收，管长对漏热的影响无明显变化。由于管路的存在而减少了部分绝热层，热量沿管路径向传递的影响大于热量沿管路轴向方向传递的影响。

3.4 保温层导热系数对漏热的影响

设环境温度45 ℃，分别取不同保温层导热系数进行仿真，得出漏热增大量与保温层导热系数关系曲线如图8所示。

图8 漏热增大量与保温层导热系数关系曲线

可见，即使同一个储罐，采用不同的保温材料，管路对整个储罐漏热的影响也并不相同。同一条管路对漏热量的影响与保温层的导热性能呈反比关系：导热系数越小，管路对整个储罐漏热量的影响表现越大，反之影响越小。

4 结论

通过LNG储罐管路漏热影响仿真实验，获得了不同直径、不同壁厚和不同长度的管路对储罐漏热的影响规律以及相同管路下不同保温层导热系数对储罐漏热的影响规律：管径和壁厚的增大会增加储罐漏热；管长对漏热的影响存在一个临界最小点，即当管长无论大于还是小于临界管长，管路都会导致整个储罐的漏热量增大；同样的管路，保温层导热系数越大，管路对漏热的影响越小。

通过该仿真实验，学生可以学习ANSYS的建模、仿真计算等方法，利用仿真软件解决实际科研问题。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)

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[11] 杨丰利.船用真空LNG燃料罐管路对漏热的影响研究[D].大连:大连理工大学，2015.

Simulation experiment on pipeline heat leakage influence of LNG storage tank based on ANSYS

Guan Guan1, Lin Yan1,2, Yang Qu1, Gu Wenwen1

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

In order to better train the students’ scientific research and innovation ability, the research content of the pipeline heat leakage influence of the LNG (liquefied natural gas) storage tank is introduced into the experimental teaching. By using the ANSYS (analysis system), the simulation experiment is carried out. The influence of the pipeline diameter, the wall thickness and the length on the heat leakage of the storage tank, and the heat leakage law of thermal conductivity with the different insulation layers in the same pipeline are studied respectively. The influence law of heat leakage is obtained, and it is easy for the students to understand. Through the simulation experiment with the combination of the teaching and scientific research, the teaching effect is improved, which is helpful to enhance the students’ ability for the simulation experiment and cultivate the students’ ability to solve the problems of scientific research by means of the experiment.

LNG storage tank; pipeline heat leakage; simulation experiment; ANSYS

U677.2；G642.423

A

1002-4956(2017)10-0112-05

10.16791/j.cnki.sjg.2017.10.028

2017-04-26

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资金资助项目(DUT16RC(4)26)

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