翻译精简版

关于计算流体动力学代码在液化天然气扩散方面的应用

Anay Luketa-Hanlin a,∗, Ronald P. Koopman b,1,2, Donald L. Ermak c,2

a Sandia National Laboratories, Fire Science and Technology Department, P.O. Box 5800, MS-1135, Albuquerque, NM 87185, United States

b Hazard Analysis Consulting, 4673 Almond Circle Livermore, CA 94550, United States

c Lawrence Livermore National Laboratory, Unite

d States

Available online 13 October 2006

文摘

计算流体动力学(CFD)的标准越来越多地用于液化天然气(LNG)产业来预测天然气扩散的距离。本文集中了一些关于LNG扩散对CFD的应用问题，例如范围、坐标、边界和初始条件的规范说明，给出了k-ε模型的说明，以及进行修改所需要的大气流动。同时讨论了关于驴子、土狼和猎鹰等一系列LNG扩散实验数据的验证问题,提供了环境的说明以及关于包括科氏力模型在内非常大的LNG泄漏事件的讨论。

Keywords: Liquefied natural gas; CFD; Dispersion; k–εmodel; Validation

1.引言

当LNG泄漏到陆地或水中，它会迅速地蒸发形成一种天然气云。在实施关于LNG泄露的危害分析方面的一条重要要求，就是要确定泄露地LFL的最大值不超过天然气云。CFD代码是被越来越多地用于工业上LNG扩散的工具。本文集中CFD代码应用于此的边界及初始条件，以及验证问题和相关要求。本文的主要目的在于提供可用信息的有效集合，如此以来工业等领域使用这种CFD的应用将有一个方便的参考和指导。主要集中在湍流运输的k-ε模型，由于这种模型在商业代码上是最普遍利用的。同其他模型相比，例如LES或者代数应力模型，它具有更低的耗电量和更高的运算速度。因此，使用这种模型的代码在一个合理的运行时间长度内可以运行在单处理器中，在一个模型中提供所要求的某种特征的理解来描述天然气云是非常有意义的。由于LNG是一个可以在111K (−260 ◦F)下使用的制冷剂，当它在更高的温度泄漏到地面或者水中时就会迅速蒸发掉。天然气云通常是可见的，由于水蒸气在大气中的诱导作用和随之缩合。大体上依靠风速大小进行蒸发的水蒸气决定于云层厚度和大气稳定程度，而且由于蒸气密度是表层空气的1.54倍，以内侧相比它具有更低的高度。密度随着空气混合冷却而降低，主要表现在周边地区的云，如此以来云的核心温度最低而密度最大。由于云顺风移动，混合着冷的LNG蒸汽，这就冷却了空气，保持了这种混合物周围空气的温度，即使LNG蒸汽本身会有一些轻微的密度要小于周围的空气。最终LNG蒸汽会与空气混合并且稀释。云的唯一途径是趋于上升的，在极其低的风速和非常稳定的条件下通过传热表面允许升空的云与地面或水表面接触。天燃气在166K (−160 ◦F)，空气289K (60 ◦F).时会垂直上升。

由于液化天然气组成的主要是甲烷(85~95%)受较低的可燃性限制，它的LFL 体积比为5%浓度或2.76%，大量存在于空气中，两者之间的转换因素在于甲烷在空气中分子的重量。体积质量是否集中是非常重要的，由于代码可以有默认单位可以是其中之一，LFL的最大距离是泄漏率、大气条件、在场障碍或地形地貌的一个主要作用。LFL的最大距离会随着泄漏率的提高而提高。在某一特定的泄漏率，云开始向下风向移动，并且LFL的距离也会增加直到一个蒸发率可以匹敌泄漏率的稳定状态。到这个阶段时，LFL的最大距离就仅仅受大气的稳定程度和障

碍物的影响。在给定的泄漏率，大气状况严重影响着泄漏距离。一般的，稳定的分类和低风速会导致LFL的距离更远。分类体现着大气状况，将会说明接下来会怎样。当障碍物或地面特征呈现流动形式时，将会加强重力作用，增加LFL距离或者增加混合物或者提供减少LFL距离的限制。

因此，综上所述，很明显，汹涌的云与大气的混合物其中的一个通过上升、分离或者其它机械驱动机制在CFD代码是一个塑造的特色，以及发生在更低温度的云、大气和表面间的热量传递。下一章节说明大气的特征和分类以及LFL最大距离的影响。接着会提供k–ε模式标准和大气运动改变的描述，然后会有边界及初始条件的计算规范。最后，讨论确认从驴子、土狼和猎鹰等试验中的数据。2.关于大气的描述

有多种渠道提供关于大气的讨论和评论[1–6].这儿有一个简短的描述帮助紧接着便捷和初始条件的讨论。大气或者行星的边界线被定义为一定时间内在地球表面通过动力、热量和水分交换来影响大气的层。[1].PBL是根据当前认为的典型的LNG包含设施的容量以及云的可能高度和泄漏的时间得知的LNG泄露的活动范围。PBL的高度变化决定于不同的因素，像是地表和大气的热量变化，风速，地表崎岖程度和地形特征。高度可能在数十米到几千米之内不等而且一般会在250米之间。

在早上和0.2至5公里在下午的晚些时候[1]。PBL最高值通常被定义为运动不显著的高度。最低部分大概占10%，称作动力、热量、水分不稳定程度超过10%的表层[5]。由于小的不稳定状况表层已经变得像相似学说一样易于接受，像是Monin–Obukhov缩放比例学说，仅对表层成立。这个理论是基于如下假设,即剪切力是恒定的这层，那意味着变量是一个函数的高度只有,且适用于一个横向静止不动的流场。皮肤表层延伸到约10%的高度、h、的PBL可近似之

和L是被定义不久摩阻流速和Obuhkov长度。科里奥利参数f,关系到转速的U

*

地球Ω(≈7.292×10−5 s−1) 纬度ϕ(◦)，as f=2Ωsin ϕ。高度有时也被定义为在湍流动能就是它5%的表面价值[10]。并对速度、潜在的温度,提出具体的湿度的流量关系。U、θ和Q，在表层,分别表示为[1,6]

τ，H，T和E 分别表示纤维的表面价值的剪切应力,明智的热流密度、温度和质量通量的水蒸气。当有重大蒸发事件发生时，例如海洋环境中考虑转化的水蒸