液化天然气翻滚临界密度差的数值研究

液化天然气(liquefied natural gas,LNG)在充装和储运过程中,密度差分层现象易导致翻滚行为,对LNG储罐安全造成极大威胁。当初始密度差小于临界密度差时,储罐内相邻两层LNG的混合过程较平稳;当初始密度差大于临界密度差时,LNG翻滚强度显著增大,混合过程趋于剧烈。因此,研究不同罐容储罐的翻滚现象与临界密度差之间的联系尤为重要。采用商业数值软件FLUENT分别对5000、10000、30000、50000、80000、100000、120000、160000 m 3储罐内分层LNG的翻滚现象进行数值分析,获得多罐容LNG储罐内的翻滚现象随初始密度差的变化规律,并确定各罐容的临界密度差范围。研究发现:LNG翻滚流速随着分层初始密度差的增加而增加,初始密度差是影响LNG翻滚的直接原因;同时,LNG翻滚的最大速度与初始密度差呈线性关系,即:当初始密度差越大,翻滚时最大速度越大,表征翻滚越剧烈,该线性关系式中的系数并非定值,其大小与储罐高度和直径等尺寸参数相关;此外,LNG发生翻滚时存在临界密度差,与储罐直径满足二次方函数关系,临界密度差随着储罐直径的增大而减小,分层的LNG达到临界密度差而更易发生剧烈翻滚现象;最后,针对不同储罐罐容,提出临界密度差区间,且大容量的储罐装载分层LNG时更易产生翻滚现象。

LNG储罐翻滚模拟及临界密度差

LNG储罐翻滚会给储罐的安全运行带来极大威胁。建立了LNG储罐翻滚的物理模型和数学模型,针对目前LNG接收站常用的16×10^4 m^3储罐,利用Fluent软件进行了不同初始密度差下储罐内LNG翻滚过程的数值模拟,得到了LNG储罐内的翻滚随初始密度差的变化规律。研究结果表明：初始密度差越大,翻滚发生得越早,翻滚越剧烈。存在临界LNG密度差,当初始密度差小于临界密度差时,储罐内相邻两层LNG的混合过程较为平稳;当初始密度差大于临界密度差时,翻滚强度明显增大。提出并定义了翻滚系数,并以其作为判断储罐内LNG翻滚强度的判据,计算得到16×10^4 m^3储罐的临界密度差区间为2-4 kg/m^3。

LNG储罐内翻滚现象临界判据的数值模拟

利用Fluent软件分别对160 000、30 000和5 000立方米LNG储罐内的翻滚现象进行了数值模拟,并将翻滚过程中的密度变化幅值与翻滚时间的比值定义为翻滚系数来表征翻滚的剧烈程度,得到了不同罐容LNG储罐内的翻滚现象随初始密度差的变化规律。研究结果发现:不同罐容的LNG储罐均存在一个翻滚的临界密度差,当初始密度差小于临界密度差时,储罐内相邻两层LNG的混合过程较为平稳;当储罐中相邻两层LNG的密度差大于临界密度差时,翻滚有明显的加速趋势。计算结果表明160 000立方米储罐的临界密度差区间为0.78—0.82千克每立方米,30 000和5 000立方米储罐的临界密度差区间为4—5千克每立方米。这些临界密度差区间值可作为不同罐容储罐的分层与翻滚判据,用于指导储罐设计和实际工程操作。

驱替过程中重力舌进特征的核磁共振可视化实验

重力舌进是一种岩心驱替实验中常见的由于重力作用导致驱替剂沿岩心上缘或下缘突进的现象,其直接影响驱替剂的应用效果。由于在驱替过程中无法对岩心内部进行直接观察,因此对重力舌进现象没有直观的认识。利用油藏数值模拟方法模拟了重力对水驱油过程中流体流动形态的影响,并利用基于核磁共振成像技术的岩心驱替可视化实验方法研究了重力舌进产生的条件及影响因素,同时提出了一种获得产生重力舌进特征临界密度差的新方法。研究结果表明,驱替流体与被驱替流体的密度差是产生重力舌进现象最直接的原因;当实际的密度差大于临界密度差时,则产生显著的重力舌进现象;驱替介质的黏度和驱替流量对重力舌进特征的影响并不明显;在实际生产过程中,可以根据地层流体性质优选驱替液的密度,减少重力舌进对驱替效果的影响。

基于熵产理论的LNG液舱分层翻滚过程及特征研究

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。