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lng液舱推移式惰化影响因素分析与喷嘴优化

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LNG液舱推移式惰化影响因素分析与喷嘴优化

作者：郑震宇浙江海洋大学

学位级别：硕士

近年来,液化天然气(lng)由于在存储和运输上具有巨大优势,因此被广泛使用。lng液舱在首次装货前需要进行干燥、惰化、驱气、预冷等准备工作,其中惰化目的是将舱内氧气含量降低至2%以内,防止lng与空气混合引起爆炸。现阶段,针对lng液舱... 详细信息

近年来,液化天然气(lng)由于在存储和运输上具有巨大优势,因此被广泛使用。lng液舱在首次装货前需要进行干燥、惰化、驱气、预冷等准备工作,其中惰化目的是将舱内氧气含量降低至2%以内,防止lng与空气混合引起爆炸。现阶段,针对lng液舱气体惰化作业的研究较少,惰化工作仅凭经验,既盲目又浪费。为了优化气体惰化作业过程,提升lng液舱气体惰化作业效率,论文的主要做了如下工作:一、以大型lng船液舱为原型,采用非线性有限元软件,根据质量守恒和动量守恒等微分方程组建立惰性气体惰化lng液舱的数值模拟模型,并验证了模型的准确性。二、结合气体对流扩散机理,探究喷嘴形状和大小、进气温度等参数对惰化过程的影响,发现实现推移式惰化的前提条件是平面上形成平稳的速度和浓度等值面。推移式惰化与惰化区域的流场速度标准偏差和浓度标准偏差有直接关系,当选用较大喷嘴时流场中速度和浓度标准偏差小,有利于形成推移式惰化。距喷嘴0.5米平面上,速度标准偏差小于0.73m/s时,能够实现推移式惰化。当降低进气温度时,扩张角会缓慢变大。其中喷嘴大小占比24%是实现推移式惰化的临界条件,此时扩张角为9.01°。喷嘴大小占比大于24%皆可实现推移式惰化。三、基于喷嘴大小对惰化效果影响的规律,提出三种喷嘴形状的方案,并根据工程实况选取方阶喷嘴方案为优化方案。优化方案与原始方案相比可节省约1.58%-11.21%的耗气量,可缩短16.9%的惰化时间,具有更好的经济性。本文旨在对当前lng液舱气体惰化提出优化方案,为液舱气体惰化作业提供理论依据。通过建立数学模型,对数值模拟得到的结果进行处理分析,提出惰化方案的优化策略并对优化结果进行对比,为实际惰化作业提供可靠的理论依据。

关键词： lng液舱气体惰化进气方式优化方案

lng液舱分层翻滚过程数值模拟研究与熵产特性分析

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LNG液舱分层翻滚过程数值模拟研究与熵产特性分析

作者：甄阳阳浙江海洋大学

学位级别：硕士

随着全球经济联系愈加紧密,天然气的贸易量在逐年增加,lng运输船作为海上运输lng的主要载体而受到各大船舶公司的青睐。但由于lng在运输过程可能会出现“翻滚”这一严重威胁船舶安全的现象,因此lng分层翻滚问题成为世界各学者所研究的... 详细信息

随着全球经济联系愈加紧密,天然气的贸易量在逐年增加,lng运输船作为海上运输lng的主要载体而受到各大船舶公司的青睐。但由于lng在运输过程可能会出现“翻滚”这一严重威胁船舶安全的现象,因此lng分层翻滚问题成为世界各学者所研究的热点。本文通过分析lng分层翻滚过程,建立了二维lng液货舱分层翻滚物理模型与数值模型,选取适当的lng物性参数,分别对静止lng液舱与运动lng液舱进行分层翻滚数值模拟。得出漏热强度、初始液层分层高度、运动幅值及周期对lng分层翻滚的影响,并通过分析熵产率分布图及熵产变化特征,探究不同因素对lng液舱分层翻滚过程的影响机理。本文得出主要结论如下:（1）漏热强度增强并不改变边界层流体流动历程。单一漏热强度下,流动熵产率分布区域随漏热时间发生变化;各区域流动熵产率随漏热强度增大呈现增大的特征。（2）当lng液舱处于静止状态时,液相完全混合所用时间随着液体分层高度的增大而减小,舱内流体流动熵产值随上层流体层高增大而减小,流体传热熵产值随上层流体层高增大而减小。（3）当lng液舱处于运动状态时,液体密度混合速率随运动强度增大而增大。液体流动熵产率呈周期性变化,流动熵产率随液舱运动强度增大而增大。传热熵产值随运动幅值增大而减小,随运动周期减小而减小。

关键词： lng液舱液舱运动熵产分层翻滚数值模拟

基于熵产理论的lng液舱分层翻滚过程及特征研究

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浙江海洋大学学报（自然科学版） 2020年第4期39卷 358-364页

作者：吕煜蒙卢金树孙俊杰浙江海洋大学船舶与海运学院浙江舟山316022

采用数值模拟的方法,结合熵产理论分析了lng翻滚过程中的传热传质特性。计算结果表明,该过程主要包括四个阶段:孕育阶段、翻滚阶段、平复阶段和稳定阶段。在此基础上研究了初始密度差对lng翻滚过程的影响,定义了平均粘性耗散熵产来进行... 详细信息

采用数值模拟的方法,结合熵产理论分析了lng翻滚过程中的传热传质特性。计算结果表明,该过程主要包括四个阶段:孕育阶段、翻滚阶段、平复阶段和稳定阶段。在此基础上研究了初始密度差对lng翻滚过程的影响,定义了平均粘性耗散熵产来进行翻滚强度分析,确定了lng翻滚临界密度差。同时研究了不同载液率对翻滚的影响。结果表明,对于30%H、60%H、90%H载液工况,其临界密度差分别为1、1、6 kg·m^(-3)。该结果可为预防lng液舱内发生翻滚提供相应的依据。

关键词： lng液舱分层翻滚熵产数值模拟临界密度差

新型lng液舱裂纹扩展寿命预报与可靠性分析

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新型LNG液舱裂纹扩展寿命预报与可靠性分析

作者：张宇上海交通大学

学位级别：硕士

lng运输船是水上天然气运输的主要工具。疲劳是结构破坏的主要形式之一。独立B型液舱作为液化天然气的主要维护系统,其疲劳性能及失效概率直接关系到船上的人身和财产安全。目前工程上常用的疲劳分析方法通常是基于线性累计损伤理论和S-... 详细信息

lng运输船是水上天然气运输的主要工具。疲劳是结构破坏的主要形式之一。独立B型液舱作为液化天然气的主要维护系统,其疲劳性能及失效概率直接关系到船上的人身和财产安全。目前工程上常用的疲劳分析方法通常是基于线性累计损伤理论和S-N曲线方法,但是,线性累计损伤理论无法考虑诸如初始缺陷、载荷次序等因素对疲劳寿命的影响。对于独立B型液舱来说,其建造用钢的屈服强度更是大于400MPa,超出了疲劳强度规范中对材料屈服强度的要求,此时若采用常规疲劳分析方法对其进行疲劳寿命预报,得到的结果的可靠性有待于验证。基于断裂力学裂纹扩展理论的疲劳分析方法作为一种理论上更合理的方法,已经引起了船舶行业的日益重视,一些船级社已经制定了相应的规范。本文基于DNV规范,采用裂纹扩展理论对独立B型液舱的焊接接头部位进行疲劳寿命预报,并结合神经网络方法对其进行可靠性分析,从而为独立B型液舱的抗疲劳优化设计提供参考。本文的主要研究内容如下:(1)介绍本文研究背景,并对lng船舶的疲劳评估以及可靠性分析现状做了综述。针对裂纹扩展率、断裂参数求解等关键问题,介绍了常用的两种裂纹扩展模型,总结了典型结构的应力强度因子计算经验公式,并针对当前的经验公式大多适用于张开型裂纹这一现状,采用数值分析手段对复杂载荷下的三维表面裂纹II、III型应力强度因子随裂纹尺寸的变化规律进行了研究。针对复杂结构和复杂载荷下的应力强度因子求解问题,推荐了一种基于子模型技术的解决方法。(2)研究了DNV关于独立B型lng液舱的规范,并对失效评估图技术进行了介绍。以某新型lng船为研究对象,建立了相应的独立B型液舱有限元模型,按照规范对液舱的疲劳工况进行了总结,对其疲劳载荷进行了计算,并构造相应的疲劳载荷谱,最后以Paris裂纹扩展公式为基础,采用逐周循环的方法,编写相应的疲劳寿命计算程序,结合失效评估图,对某典型节点的裂纹扩展寿命进行了计算。得到该节点的疲劳寿命满足要求。(3对几种常用的可靠性分析方法做了简要的介绍,尝试将基于断裂力学的疲劳寿命预报方法与可靠性分析相结合,提出了一种基于神经网络和蒙特卡洛方法的裂纹扩展寿命可靠性计算方法。以独立B型液舱某疲劳节点作为研究对象,对神经网络的预测精度进行了验证,并在神经网络响应面的基础上,采用蒙特卡洛方法对其疲劳失效概率进行了计算,通过和采用其他可靠性方法计算结果的对比,验证了所提出的方法的准确性。最后,对裂纹参数对结果的影响进行了分析和讨论。

关键词： lng液舱复合型裂纹应力强度因子疲劳裂纹扩展神经网络疲劳可靠性

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lng船液舱气体置换过程仿真及优化

LNG船液舱气体置换过程仿真及优化

作者：陈云浙江海洋大学

学位级别：硕士

世界人口及经济的增长增加了世界对能源的需求。天然气不仅供应丰富、热值较高,而且价格较低、绿色环保,因此,中国的天然气消费量在过去的十年中大幅上涨,中国建造lng船的艘数和规模也在迅速扩大。lng低温储罐干燥与置换是lng船液货舱... 详细信息

世界人口及经济的增长增加了世界对能源的需求。天然气不仅供应丰富、热值较高,而且价格较低、绿色环保,因此,中国的天然气消费量在过去的十年中大幅上涨,中国建造lng船的艘数和规模也在迅速扩大。lng低温储罐干燥与置换是lng船液货舱在投产前的一个关键环节,就是为了防止lng首次进入储罐时与空气混合引起爆炸。较大的进气速率和较高的进气温度会增强氮气与舱内空气的对流扩散效应,造成氮气浪费;较小的进气速度会延长置换时间,而较低的进气温度又会造成冷能的浪费。所以,全面深入的研究气体置换过程中的对流扩散规律,了解气体浓度场分布特征以及不同进气阶段对流扩散方式对于准确地控制气体的置换,降低生产成本和投资具有重要意义。本文主要通过对lng船液舱惰化过程中流场的仿真与动力学特性研究,确定不同惰化方案在不同时间段气体对流扩散的主要影响因素,最终根据探究得到的影响机制提出优化方案并进行实验验证。论文的具体研究内容如下:一、以lng船液舱为原型,研究对象是低温氮气与常温空气,根据质量守恒、能量守恒和动量守恒等微分方程组建立计算模型,应用数值模拟建立三维全尺度数值模型。二、基于选定的数值模型,利用飞机燃油箱的实验数据验证数值模拟方法的准确性与可靠性。在此基础上,利用Froude数,研究流场动力学特性。结合各监测面对流项与扩散项变化率,分阶段描述液舱内气体运移现象。三、通过设置参照组并仿真计算,探究不同进气速率与温度对置换效率的影响规律。在此基础上提出优化方案,并进行验证。本文针为lng船液舱置换过程中不同区域气体运移分阶段进行分析,研究置换过程中空气与氮气的混合机理,对lng船惰化安全作业和污染控制具有指导意义。

关键词： lng液舱气体置换对流扩散数值模拟

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晃荡条件下lng液货分层翻滚机理研究

晃荡条件下LNG液货分层翻滚机理研究

作者：吕煜蒙浙江海洋大学

学位级别：硕士

船载lng的安全性问题一直备受航运界关注。近年来,随着海上lng运输业的蓬勃发展,lng船舶装载货源呈现多元化趋势,进而导致了多起海上lng分层翻滚事故的发生。翻滚现象伴随着液舱内压力的急剧升高,严重威胁船舶安全。因此,开展晃荡条件下... 详细信息

船载lng的安全性问题一直备受航运界关注。近年来,随着海上lng运输业的蓬勃发展,lng船舶装载货源呈现多元化趋势,进而导致了多起海上lng分层翻滚事故的发生。翻滚现象伴随着液舱内压力的急剧升高,严重威胁船舶安全。因此,开展晃荡条件下lng分层翻滚问题研究对管理和预防海上lng翻滚事故的发生具有重要意义。本文通过分析lng液舱内的热质耦合行为,对lng液货舱分层翻滚的物理模型展开了合理简化,建立了包含自由液面蒸发、舱内非均质lng双扩散对流行为的热质耦合模拟场。为进一步探究静止与晃荡两种工况下发生lng翻滚的驱动机制,重点考虑了漏热强度、分层高度、分层层数、横摇周期、底层过热度等因素对翻滚过程的影响,并分析了两种工况下发生翻滚的危害性。本文主要的工作与结论如下:(1)考虑组分扩散对能量输运的影响,根据连续性方程、动量方程、能量方程、组分方程等微分方程组描述lng分层翻滚过程,参考实验数据验证了数值方法的准确性与可靠性。(2)相同浓度差下,漏热强度是决定静止工况下翻滚演变时长的主要因素,分层高度、分层层数的改变对翻滚时长影响较小。lng翻滚产生的危害性主要取决于翻滚阶段前底层积蓄的过热热量与翻滚阶段中分界面迁移速度,分层层数的增加、底层lng高度的降低、漏热强度的降低均会降低lng翻滚产生的危害性。(3)晃荡条件下热力因素不再是驱使液层间浓度差、温度差快速缩减的主要原因。晃荡初期影响上下两层lng混合的主要因素是液舱的动态运动,随着时间的推移,自由表面的蒸发冷凝作用逐渐凸显,两种机制共同促进了液层间的掺混。(4)晃荡条件下BOR峰值主要取决于液舱受到外界激励前底层lng存储的过热热量。

关键词： lng液舱液舱运动 BOR 分层翻滚数值模拟

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液舱旋转射流惰化模拟及优化

造船技术 2020年第6期48卷 1-5,11页

作者：王恒远邓佳佳卢金树薛大文浙江海洋大学船舶与海运学院浙江舟山316022

为探究气体惰化机理,提高惰化过程效率,对卧式椭球状lng液舱的气体惰化过程进行数值模拟与优化。采用从椭球状液舱端部直流射流、旋转射流和混合射流的进气方式,分析气体射流流场结构和惰化效果,探究不同进气方式对惰化过程影响的机理,... 详细信息

为探究气体惰化机理,提高惰化过程效率,对卧式椭球状lng液舱的气体惰化过程进行数值模拟与优化。采用从椭球状液舱端部直流射流、旋转射流和混合射流的进气方式,分析气体射流流场结构和惰化效果,探究不同进气方式对惰化过程影响的机理,并提炼其惰化优化方案。结果表明:在进气流量一定时,旋转射流的惰化效果优于直流射流和混合射流,这是由于旋转射流会产生更大的进气扩张角,可大幅减少惰化死角的存在,有利于在储罐内部形成推移式惰化;旋转射流相对直流射流可节省40.4%氮气量和惰化时间,相对混合射流可节省26.2%氮气量和惰化时间。旋转射流优化方案可减少氮气耗量并节省惰化时间,提高惰化过程效率,具有较高的经济性,对于实际lng液舱的气体惰化过程具有重要指导意义。

关键词： lng液舱气体惰化数值模拟优化旋转射流

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液舱旋转射流气体惰化特性分析

煤气与热力 2022年第3期42卷 V0019-V0025页

作者：邓佳佳陈星星卢金树薛大文王恒远浙江海洋大学船舶与海运学院浙江舟山316022 江西枫林涉外经贸职业学院江西九江330321

针对lng液舱壁惰化死角难以惰化、惰化进程监测误差大导致惰化效率低的问题,对C型独立液舱的气体惰化特性进行分析。建立数值模拟模型,分析舱内氧气体积分数及等值面分布形态、体积置换次数、惰化完成时间,比较旋流强度、进气速度和直... 详细信息

针对lng液舱壁惰化死角难以惰化、惰化进程监测误差大导致惰化效率低的问题,对C型独立液舱的气体惰化特性进行分析。建立数值模拟模型,分析舱内氧气体积分数及等值面分布形态、体积置换次数、惰化完成时间,比较旋流强度、进气速度和直径占比对惰化过程的影响,探讨其气体惰化特性。结果表明:随着旋流强度增大,惰化完成时间先缩短后延长再缩短,当旋流强度为1.0或1.5时去除惰化死角效果明显,且惰化完成时间短、耗气量少。增加惰性气体进气速度和提高直径占比,可以明显消除惰化死角且缩短惰化完成时间、减少耗气量。对惰化过程监测,采用出口平均氧气体积分数来判断惰化完成情况会造成误判,出口平均氧气体积分数降低至2%的时间与舱内最大氧气体积分数降低至2%的惰化完成时间的最大相对偏差为25.53%,最小相对偏差为1.40%,平均相对偏差为7.00%。因此,建议监测出口平均氧气体积分数,但是应在出口氧气体积分数达到2%后继续延长30%惰化时间,确保舱内最大氧气体积分数达标。

关键词：气体惰化 lng液舱惰化完成时间体积置换次数旋转射流