LNG事故泄漏射流的热动力学特征与液滴群扩散蒸发机制研究
批准号：
52074237
项目类别：
面上项目
资助金额：
58.0 万元
负责人：
岑康
依托单位：
学科分类：
油气储存与输送
结题年份：
2024
批准年份：
2020
项目状态：
已结题
项目参与者：
岑康
项目摘要
结项摘要
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中文摘要
如何准确预测液化天然气（LNG）泄漏射流热动力学特征以及破碎/雾化液滴群的动态蒸发、扩散与沉积行为，一直是困扰事故泄漏后果评价的关键问题。首次采用矩形喷嘴模拟典型的裂缝泄漏，通过LNG射流可视化实验与理论分析，构建射流形态转捩判据、液滴群初始特征参数与孔口流量系数的定量预测模型。首次开展LNG单液滴自由落体运动蒸发可视化实验，通过调整液滴初始粒径与蒸发室内蒸气浓度、温度、流速来重现液滴群中单个液滴运动蒸发场景，结合数值模拟研究单液滴动态传热、传质与动力学特性，建立适应LNG液滴群动态蒸发过程的传热、传质与动量模型。基于数值模拟，探索LNG储运设施典型泄漏场景下近场区的液滴群粒径、温度、速度、轨迹以及环境蒸气浓度、温度、速度的动态演化行为与空间分布规律。深刻揭示LNG储运条件、泄漏口参数、环境气象条件对事故泄漏近场区气相扩散与液相沉积的影响机制，为LNG储运设施风险管控提供理论与技术支撑。
英文摘要
How to accurately predict the break-up or atomization characteristics of liquefied natural gas (LNG) jet as well as the dispersion and rainout process of droplet swarm in the near field of accidental releases remains a great challenge. In this study, the rectangular nozzles are applied to imitate the real crack in typical LNG release scenarios. The macroscopic characteristics of LNG jet are investigated comprehensively based on a series of visual experiments. The corresponding correlations are proposed for predicting the transition criterion of jet morphologies, the initial thermodynamic characteristics of droplet swarm and the discharge coefficient of nozzles. The single droplet evaporation tests during the freely falling process are performed under various ambient gas conditions. The effects of vapor concentration, ambient gas temperature, relative slip velocity between two phases and initial droplet diameter on the dynamic droplet evaporation process are investigated experimentally and numerically. The heat and mass transfer as well as the momentum models are developed to simulate the dynamic evaporation process of LNG droplet swarm. The dynamic behavior and the spatial distribution of droplet swarm and ambient gases in the near field during representative leakage scenarios are studied numerically. The influencing mechanism of LNG storage & transportation condition, geometric parameter of leak sources and meteorological condition on vapor dispersion and droplet rainout in the near field are discussed comprehensively. The achievements would provide theoretical and technical guidelines for accurate consequence evaluation for accidental LNG releases.
LNG泄漏射流热动力学特征以及破碎/雾化液滴群的动态蒸发、扩散与沉积行为，是严重制约LNG事故泄漏后果评价的关键基础性问题。本项目聚焦LNG裂缝型事故泄漏源项形成阶段，自主设计了一套可调节温度和压力的低温射流实验装置，首先聚焦于泄漏射流的两相流行为，分析过热度、压力和喷嘴尺寸对射流特性的影响，发现低温过热液体射流存在三种射流形态。基于Buckingham-Π定理和多元线性回归量化了射流形态、孔口流量系数与液体射流无量纲表征参数之间的关联关系，构建了预测射流形态转换的转捩判据和孔口流量系数的预测模型。转捩判据预测形态转换的最大误差分别为±5%和±15%，不同形态下孔口流量系数预测模型的最大误差分别为±9.5%、±5%和±15%。射流破碎/雾化后形成的液滴群的动态扩散过程是由许多单个液滴运动蒸发构成。为此本项目搭建了一套LN2可视化运动蒸发实验装置，分析了初始直径、速度、运动角度、环境温度等因素对蒸发特性的影响规律，并筛选出了合适的曳力模型，同时，提出了LN2液滴运动蒸发过程的传热传质模型。在此基础上，开发了两套LNG液滴可视化运动蒸发实验装置，研究了环境温度、蒸气浓度和液滴初始直径对LNG液滴形态振荡、蒸发速率的影响规律，并建立了适用LNG单液滴动态蒸发过程的传热传质模型。研究结果表明，环境温度与蒸发速率成正相关，蒸气浓度和液滴初始直径则与蒸发速率成负相关。采用CLSVOF方法建立数值模型进行验证，深入剖析环境蒸气浓度、温度、气液相间滑移速度与初始粒径条件影响下的液滴温度、质量通量、热通量以及物理场的变化规律，提出了不考虑Stefan流效应时的蒸发模型更为精确，误差为1.98%。最后将单个液滴的传热传质模型应用至LNG液滴群，建立LNG液滴群动态蒸发扩散数值模型，揭示了LNG泄漏近场扩散区的液滴群粒径、温度、速度以及环境浓度和温度的动态演化与空间分布规律。研究成果为LNG泄漏事故风险评价提供准确可靠的源模型，具有重要理论意义与工程应用价值。
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