LNG船液舱预冷时货物维护系统温度场数值预报模型

徐 松，卢金树

（1. 浙江海洋大学船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316022；2. 浙江海洋大学海运与港航建筑工程学院，浙江 舟山 316022）

LNG船液舱预冷时货物维护系统温度场数值预报模型

徐 松1，卢金树2

（1. 浙江海洋大学船舶与海洋工程学院，浙江 舟山 316022；2. 浙江海洋大学海运与港航建筑工程学院，浙江 舟山 316022）

为了确保液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）船在液舱预冷液货操作阶段船舶的安全经济性，制定了液舱预冷方案，对该流程中货物维护系统温度场实施预报。在对液舱建模时首次考虑货物维护系统空间结构，在计算流体力学（Computational Fluid Dynaics，CFD）与数值传热学原理基础上，同时考虑预冷剂的气化潜热与显热的冷量释放，基于多面体网格，利用FLUENT软件对LNG船液舱预冷过程温度场实施三维瞬态数值预报。结果表明：与船舶操作手册的指导数据相比，货物维护系统主绝缘层平均温度预报结果的误差控制在13%以内，温度下降速率符合LNG船相关规范，货物维护系统内温度梯度分布随着预冷时间逐渐减小；液舱预冷过程中根据货物维护系统主绝缘层温度随时间变化情况，分为极速降温、中速降温和慢速降温3个阶段，在极速降温阶段货物维护系统的温度变化率及温度场中温度梯度最高。

液化天然气船；液舱预冷；货物维护系统；热绝缘；气化潜热；温度场；数值预报

0　引言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）贸易的蓬勃发展，促进了LNG运输船的需求。薄膜型LNG运输船货物装卸操作的流程是：液舱干燥、惰化、置换气体、液舱预冷、装货、满载航行、卸货等［1］，其中在到达港口正式装货之前要完成液舱的预冷操作，以避免在正式装货时因大量进货液舱货物维护系统温度降低速率过快，温度梯度过大，造成货物维护系统绝缘材料失效［2］，同时也防止由于大量液货蒸发气（BOGBoil-off，Gas）产生造成液舱内压力过高等风险。为了制定液舱预冷方案确保 LNG船在液舱预冷液货操作阶段船舶的安全经济性，对该阶段货物维护系统温度场实施预报。文献［3］～文献［5］采用集中参数法，分别将液舱货物维护系统和液舱内气体处理视为与温度及空间坐标无关，文献［6］和文献［7］采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）分析方法，仅考虑稳态情况下液舱内气体空间的温度分布，未对液舱货物维护系统建模，并且忽略预冷时预冷剂的气化潜热释放的冷量。其中集中参数法能够揭示液舱预冷时液舱货物维护系统的温度随时间变化的规律，但不能预测其温度梯度的变化；文献［6］和文献［7］虽然对液舱内部空间温度场进行了预测，但是其物理模型忽略了液舱货物维护系统结构。

基于此，在对液舱建模时首次考虑货物维护系统空间结构，在 CFD与数值传热学原理基础上，同时考虑预冷剂的气化潜热与显热的冷量释放，基于多面体网格，利用FLUENT软件对LNG船液舱预冷过程温度场实施三维瞬态数值预报。

1　数值预报模型

1.1 问题描述

薄膜型LNG运输船必须具备完整的双底、双壳结构［8］，其中船体内壳以内为液舱货物维护系统，依次包括船体内壳、环氧树脂、次绝缘层、次屏蔽、主绝缘层、主屏蔽等结构，主屏蔽的材料为Invar镍钢直接接触液舱内货物，绝缘层为预制绝缘箱充填绝缘材料膨胀珍珠岩（见图 1）。液舱预冷操作就是在正式装货前使用LNG液货通过喷嘴喷少量淋冷却液舱，以将货物维护系统结构及液舱内气体的温度分别缓慢降低到 140K和接近液货的温度110K。

液舱预冷操作开始时由于液舱内气体及货物维护系统处于常温下，当少量LNG液货喷淋进入液舱内会瞬间气化吸热，在这个过程中喷淋的LNG液货会吸收货物维护系统、液舱内气体及通过货物维护系统传递到液舱内的外界热量以达到冷却液舱的目的（见图 1）。在液舱预冷过程中持续喷淋LNG液货以吸收热量，同时将高温液货BOG释放回收，直到货物维护系统温度接近液货温度，此时液舱底部会有少量LNG液货。

图1　液舱预冷货物维护系统传热分析

1.2 物理模型

研究对象的母型船液舱选自“大鹏月”号LNG船的NO.2液舱［9］，货物维护系统中屏蔽结构维持液舱气密性，由于其厚度仅为0.7mm且导热系数基本在10量级，故其热阻值量级为10-4，因此在货物维护系统的温度场中，其温度基本等于相邻的绝缘层温度，基于此，在液舱建模时将其忽略。另外，忽略绝缘层内预制绝缘箱之间的空隙，视为绝缘材料直接填充绝缘层，同时也忽略液舱泵塔结构，将其热容量折算到船体内壳上。液舱物理模型见图2（a），对液舱全尺度（包括货物维护系统及液舱内空间）建立物理模型，其中货物维护系统由船体内壳、主绝缘层、次绝缘层组成。液舱预冷时LNG液货喷嘴及液货BOG释放阀

模型见图2（b）。涉及结构材料的属性见表1。

图2　液舱预冷物理模型

表1　物理模型中具体结构的属性［10，11］

1.3 理论基础

基于CFD和数值传热学原理，用控制方程式（1）～式（7）描述液舱预冷时液舱内空间发生LNG液货及其BOG等两相流体的湍流流动和热传递，同时也涉及预冷剂与货物维护系统之间的对流换热及货物维护系统内的热传导等流动与传热现象［12］。其中液舱内空间LNG液货及BOG两相的流动属于湍流流动型式的两相互相贯穿掺混的混合物流动，用式（1）～式（2）和式（4）～式（5）描述；预冷时LNG液货相变时的冷量的释放使用LEE相变模型［13］基于FLUENT中UDF功能完成［14］，其中质量传递公式如式（6）～式（7）；液舱预冷时，液舱内流体与货物维护系统内壁界面上发生对流换热，但是换热系数是未知的，这种流体与固体的传热现象成为流-固共轭耦合传热，解决的办法是对整个计算域包括流体域和固体域整场求解［15］，以避免求解流-固界面上对流换热系数，因此液舱预冷时整个计算域的热量传递现象只需在整场求解能量守恒方程式（3）。

式中：ρm——混合物密度；αi——i相的体积分数；ρi——i相密度； vm——质量平均速度； Sm——由于LNG液货相变产生的质量源项。

动量守恒：

湍流模型：

基于LEE模型LNG液货的热值传递：

1.4 数值模型

该温度场数值预报方法是先使用GAMBIT软件对液舱物理模型建模，然后基于CFD与传热学原理，利用FLUENT软件对液舱预冷过程中涉及LNG液货的冷量（包括气化潜热与显热）与货物维护系统、液舱内气体、外界等的热量传递特征进行数值计算，以分析预冷过程中货物维护系统的温度变化规律及温度场的演变。

1.4.1 网格方案

物理模型的计算域见图2，包括货物维护系统固体域及液舱内空间流体域。FLUENT是基于有限体积法的 CFD程序，其求解的基本原理是首先将微分方程在计算域内每个控制体上积分，以将微分方程离散得到代数方程，然后迭代计算得到数值解。因此，在FLUENT计算之前，需将连续的计算域转化成有限多个控制体即划分网格。首先使用 GAMBIT对物理模型划分非结构四面体网格，并且在货物维护系统和液舱LNG液货喷嘴、液货BOG释放阀处对网格加密，其次将生成的四面体网格在FLUENT软件中转换成多面体网格（见图3）。多面体网格的质量较四面体网格的改善情况见表2。

图3　多面体网格

表2　多面体网格与四面体网格的比较

1.4.2 数值实验设计

稳态问题数值计算只需将计算域在空间上离散，但涉及瞬态问题（求解变量随时间变化）计算还需要在时间上离散才能执行数值迭代。使用PISO数值算法计算三维瞬态的液舱预冷问题，时间离散格式选择对时间步长不敏感的一阶隐式格式。在空间上压力、动量、能量等离散格式先使用一阶迎风，计算稳定后使用高阶离散格式，兼顾数值计算的稳定与精度。物理量欠松弛因子采用先高后低的手段，以保证迭代的收敛与数值解的稳定。

计算域的边界即船体内壳，其条件是固定温度分别为300K以验证预测结果和273K以模拟外界向液舱的漏热；流-固界面使用耦合条件以实现对温度场的整场求解；喷嘴入口速度条件为18.8m/s，LNG液货占比为1，温度为110K，湍流强度为4.77%； BOG释放阀为压力出口，压力为0.025MPa，回流条件是温度为300K占比为1的BOG，湍流强度为3.06%。数值计算的初始条件是计算域温度为300K，且液舱内充满BOG，涉及两相的热属性见表3，压力为0.015MPa，迭代时间步长为1.8s，时间步数24000。

表3　LNG、BOG两相热属性

2　结果与分析

任何数值预报结果的可靠性均需用权威实验值或理论值验证其可靠性，首先用指导数据验证预报结果并分析误差来源，然后讨论货物维护系统各结构在液舱预冷过程中的温度场演变特征。

2.1 预报结果验证与误差分析

根据物理模型和文献［9］用液舱货物维护系统绝缘层Ⅱ（其模型见图2（a））的平均温度作为衡量指标与“大鹏月”号液舱预冷操作的指导数据做对比（见图4）。由该图知模型预报值（黑实线）与指导数据值（三角散点）的误差（绝对误差与指导数据之比）控制在13%（见图4中表格）以内，说明该模型对液舱预冷过程中货物维护系统温度的预报具有相当高的可靠性。

根据图4，绝缘层Ⅱ的平均温度值预报结果误差在0～5.5h阶段＜3%，5.5～8.5h阶段，误差增大＜10%，在最后阶段8.5～12h，误差继续增大＞12%。但是这并不意味着该模型对绝缘层Ⅱ的温度预报误差逐渐增大，根据图5（对应图4，为温度变化率）所示，在0～6h阶段绝缘层Ⅱ的平均温度值预报结果的变化率明显比指导数据高，该阶段温度变化率高估直接累积到6～12h阶段，造成该阶段内预报温度值的误差偏大。另外，物理模型的简化是误差的另一个来源。

图4～图5也反映了绝缘层Ⅱ的温度随时间变化规律预报结果，根据温度值的下降幅度可以分为0～5h极速降温，5～9h中速降温，9～12h慢速降温等3个阶段。在极速降温阶段，绝缘层Ⅱ温度变化率超过11K/h，最高甚至达到31K/h；在中速降温阶段，变化率降到7.7K/h；在慢速降温阶段变化率为≈5.5K/h。液舱预冷时在极速降温阶段LNG液货与绝缘层Ⅱ温差最高，喷淋到液舱内的LNG液货瞬间气化，释放气化潜热冷量，吸收大量热量，随后BOG仍在与绝缘层Ⅱ的温差作用下继续吸收热量。随着液舱预冷的进行，液舱内气体很快被完全冷却，而绝缘层Ⅱ被逐步冷却，温度下降进而与LNG液货温差减小，于是在中速降温和慢速降温阶段，绝缘层Ⅱ单位时间内温度下降幅度变小，温度变化率也降低。

图4　液舱货物维护系统平均温度预报结果验证

图5　预报结果误差

2.2 温度场分析

货物维护系统温度场能反应液舱预冷时绝缘层温度空间分布特征。该模型实现了对LNG船液舱预冷时货物维护系统温度场的三维瞬态预报。为了突出反映货物维护系统温度场受LNG液货冷量及外界环境热量影响的特点，将该算例的计算域边界温度设为 273K。由于货物维护系统模型与液舱尺度差过大，在货物维护系统物理模型中选择液舱舷侧中央位置yoz平面上取0.6m×0.56m大小的切片来展示其温度场预报结果（见图6），以代表整个货物维护系统预报的温度场。

图6　液舱预冷过程货物维护系统指定切片处温度场演变规律

图6为货物维护系统物理模型切片处的等温分布图，每一幅图中的比例尺上端yoz01表示在液舱预冷的第1小时时刻该处的等温分布图，图中自左向右依次有4条黑色粗实线以明显界定对应图2中货物维护系统的船体内壳、绝缘层Ⅰ和绝缘层Ⅱ 3层结构的模型范围，同一颜色条中标记的序号对应比例尺中温度值。由图4～图5对液舱预冷过程阶段分析，货物维护系统在极速降温阶段的5个整点时刻的等温分布特征是：绝缘层Ⅱ内等温线最为密集，说明其温度梯度较大，但绝缘层Ⅰ内温度基本是均匀分布，至于船体内壳受到环境的热量传递的影响最为明显，但是由于钢导热性能好且热阻小，温度分布均匀；在中速降温阶段的4个整点时刻的温度分布特征是：绝缘层Ⅱ内等温线逐渐稀疏，温度梯度减小，温度分布较计算降温阶段均匀，但是绝缘层Ⅰ内逐渐出现了3条等温线，其温度分布渐趋不均，形成温度梯度，在该阶段船体内壳温度仍然均匀分布，并且其温度逐渐降低到与环境相同的273K；在慢速降温阶段的3个整点时刻的温度分布特征是：绝缘层Ⅱ内等温线继续变得稀疏，温度分布更加均匀，绝缘层Ⅰ内等温线继续发展，但总体梯度不高，船体内壳温度均匀并等于环境温度值。

液舱预冷时货物维护系统温度场的上述特征是液舱内LNG液货的冷量和外界环境热量共同作用的结果。液舱预冷操作开始时，货物维护系统及液舱内气体为300K，喷淋LNG液货110K与直接接触液舱内流体的绝缘层Ⅱ在 190K温差作用下，整个预冷过程一直处于冷却货物维护系统的状态，外界环境温度273K，根据图6，在预冷的前7h内，由于与外界环境接触的船体内壳温度（基本等于绝缘层Ⅰ外缘温度）始终高于环境温度，因此外界环境起到冷却货物维护系统的作用，随着货物维护系统热量被吸收，温度下降到＜273K，外界环境热量开始向液舱内漏热，转变为向货物维护系统漏热情形。

3　结语

首次对液舱货物维护系统空间结构建模时，基于 CFD与数值传热学原理，同时考虑预冷剂的气化潜热与显热的冷量作用，基于多面体网格，利用FLUENT软件对LNG船液舱预冷过程构建了货物维护系统温度场三维瞬态数值预报模型。主要结论如下：

1）经验证，该模型能够可靠地实现对LNG船液舱预冷时货物维护系统结构温度的数值预报，液舱预冷过程根据绝缘层Ⅱ平均温度随时间变化的规律，可以分为极速降温、中速降温及慢速降温3个不同特征阶段；

2）在极速降温阶段，绝缘层Ⅱ温度变化率最高，且温度场的温度梯度最大。依据规范，在实际LNG船液舱预冷操作时，该阶段内必须采取有效措施（如适当减小LNG液货喷淋流量等）控制货物维护系统绝缘层Ⅱ的温度变化率。

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Numerical Prediction Model for LNG Carrier Cargo Containment System Temperature Field During Pre-cooling Operation

XU Song1，LU Jin-shu2
（1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan Zhejiang 316022；2. School of Maritime and Civil Engineering，Zhejiang Ocean University，Zhoushan Zhejiang 316022）

In order to ensure the safety and economy of LNG carrier during pre-cooling operation of liquid cargo tank，a pre-cooling plan is made to predict the temperature field of the cargo containment system in the process. The space structure of the cargo containment system is considered for the first time in the liquid tank modeling，and both sensible heat and latent heat of pre-coolant gasification energy dissipation are considered with the principles of CFD （computational fluid dynamics） and numerical heat transfer theory，and 3D transient temperature field of the liquid tank pre-cooling process on LNG carrier is predicted using FLUENT software based on the polyhedral mesh. The result shows that the average temperature prediction error of the main insulating layer is within 13% in accordance with the ship operational manual； the temperature decrease rate complies with LNG carrier rules； the temperature gradient in the cargo containment system decreases along with the pre-cooling time； three stages i.e. high speed cooling，middle speed cooling and low speed cooling are identified according to the temperature variation during the time，where the temperature changing rate is the highest and the temperature gradient is the largest in the high speed cooling case.

LNG carrier； liquid cargo tank pre-cooling； cargo containment system； heat insulation； latent heat；temperature field； numerical prediction

U674.13+3.3.03

A

2095-4069 （2016） 03-0027-07

10.14056/j.cnki.naoe.2016.03.005

2015-09-06

国家自然科学基金（51079129）；浙江省重大科技专项（21188005714）

徐松，男，1988年生。现浙江海洋大学船舶与海洋工程专业在读硕士。