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双扩散驱动下浓度分层液体受热翻滚机理研究

沙嵬  
【摘要】:液化天然气(LNG)储罐内由于充注不当会形成初始液体分层,在外界漏热条件下,热和组分扩散共同驱动介质进行自然对流,其会引起分层失稳直至发生翻滚,即液层在短时间内翻转混合。在LNG储罐中,翻滚会导致大量蒸发气的形成,从而引起严重事故。目前学者对分层失稳机理尚未形成统一认识,关于外界漏热和浓度分层条件对翻滚过程影响的研究仍是热点问题。以此为背景,通过实验和数值模拟研究了双扩散驱动下浓度分层液体受热翻滚的演变过程,主要工作和结论如下:(1)搭建了可视化翻滚实验装置,并以NaCl溶液为介质进行了不同初始真空度和不同初始浮力比(Rρi)条件下的翻滚实验。结果表明,分层系统在翻滚过程中随Rρi的增大依次呈现出W形和沙漏形混合特征,储罐中不凝气含量对混合特征的影响较小。(2)建立了翻滚过程的数值计算模型。在实验验证的基础上,利用数值模拟研究了分层失稳机理。详细分析了侧壁边界层和主流区的层间温度、浓度和密度分布,并利用局部浮力比研究了分层稳定性的变化规律。结果表明,下层浮升流和分层界面下方的水平流分别是边界层和主流区分层失稳的主导因素,而且两者具有协同作用:下层浮升流受分层界面阻碍会转变为水平流,水平流不断削弱分层稳定性,进而促进下层浮升流穿透分层界面。在其被穿透后水平流基本消失,分层界面开始整体向下迁移。(3)结合实验与数值模拟,研究了翻滚模式随Rρi的转变规律及其对储罐压力响应特征的影响。结果表明,翻滚模式随Rρi转变的临界点是Rρi≈1.50。当Rρi1.50时翻滚呈现强循环模式,此时分层失稳主要机制是浮升流穿透,分层界面将在短时间内被穿透,翻滚发生后分层系统呈现出W形混合特征。当Rρi1.50时翻滚转变为弱循环模式,失稳主要机制变为水平流卷携,在该条件下翻滚发生较晚,翻滚后系统呈现出沙漏形混合特征,并且会导致储罐的升压幅度增大。(4)通过数值模拟研究了翻滚模式转变对翻滚特征时间的影响规律,并基于此提出了翻滚特征时间的预测方法。结果表明,当翻滚处于强循环模式时,翻滚发生时间和翻滚持续时间均随Rρi升高而线性增长。当翻滚处于弱循环模式时,翻滚发生时间随Rρi线性增长,不过相比于强循环模式增长速率显著增大,翻滚持续时间则随Rρi线性降低。在两种翻滚模式下,翻滚结束时间均以幂指数规律随Rρi增长。通过对比NaCl溶液分层系统和LNG分层系统的数值模拟结果,发现基于前者提出的翻滚预测方法对于预测后者的翻滚过程具有可行性。


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