CN117172076B - 一种lng空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，对LNG空温式气化器进行现场运行测试，获得翅片管外壁温度与霜层的拟合关系；将结霜翅片管增加的霜层热阻和本体热阻的和等效为未结霜条件下翅片管的导热热阻，并将等效导热热阻的导热系数表示为结霜翅片外壁温度的函数；建立LNG空温式气化器整体几何物理模型，将等效导热系数作为气化器材料导热系数进行模拟计算，获取LNG空温式气化器在结霜条件下的流固共轭传热特性和气化性能。本发明考虑不同翅片管之间的相互影响以及翅片管结霜的影响，并耦合了气液相变流动传热以及流固共轭传热，模型更加贴合实际，模拟计算结果更加准确，可大幅度减少模拟计算时长，提高模拟效率。
Description
技术领域
本发明属于低温热交换设备性能模拟方法，尤其涉及一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法。
背景技术
LNG(液化天然气)空温式气化器是一种从空气中吸收热量并将其传递给管内的低温LNG使其相变气化为NG(天然气)的低温换热设备；与其他类型的气化器相比，其结构简单、经济性好、符合节能环保的要求，被广泛应用于LNG接收站和气化站之中。但LNG空温式气化器翅片管外表面容易受周围空气温度和湿度的影响，在气化过程中吸收周围热量导致周围环境温度降低，出现翅片管表面结霜现象，影响气化器的换热效果和气化性能；严重时会导致气化器受力不均，出现侧向拉力，导致管路破裂、LNG泄漏，发生安全事故。
LNG空温式气化器翅片管表面结霜主要由空气中水蒸气相变成固态结晶，其几何结构及堆积规律随着结霜进程而发生变化，是一个复杂的传热传质过程；在过去对LNG空温式气化器的性能模拟中普遍忽视了结霜对气化器的影响，将环境空气简化为干空气理想气体；而实际的气化器在运行过程中，结霜对LNG空温式气化器的性能有不可忽略的影响，会直接降低空气侧的传热系数，最高可达85％。而目前对于LNG空温式气化器结霜的性能研究，一部分是针对单个翅片的局部区域进行非稳态的结霜数值模拟分析，虽然一些模型可以很好的预测霜层的生长情况，但考虑到模型的复杂性、计算时长和计算结果的收敛性，无法将模型应用于整个气化器的模拟中；另一部分研究是建立结霜传热数学模型，通过数值计算得出不同结霜时间下霜层对空温式气化器的总传热系数的影响，但这种方法，只能从计算出结霜条件下空温式气化器整体的性能变化，忽略了不同翅片管之间的相互影响，无法对气化器不同翅片管的传热性能和管内低温介质的传热性能进行分析。公开号为CN112580272A的发明专利提出了一种基于数值模拟的LNG空温式气化器的优化设计方法；该方法首先采用经验公式等方法对LNG空温式气化器进行初步设计，然后对初步设计的空温式气化器采用Fluent软件进行模拟；虽然该方法考虑了翅片管根数对气化器的换热效率影响，但该方法将环境空气按照干空气进行处理，无法对结霜条件下的气化器性能进行计算。公开号为CN115114815A的发明专利提出了一种利用霜层表面性质预测冷表面结霜的模拟方法，通过使用欧拉多相流建立平板结霜工况的计算模型，使用UDF对计算区域的控制方程进行反复迭代计算求解，模拟霜层增长情况；但该方法仅能模拟出霜层在平板局部区域的结霜程度，而无法得出结霜状态下整体换热设备的性能变化情况。另外结霜主要发生在液相段和两相段，在进行结霜状态下的模拟计算时需要考虑流固共轭传热的影响，但目前尚未有技术方法进行说明。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，考虑不同翅片管之间的相互影响以及翅片管结霜的影响，并耦合了气化器管内的气液相变流动传热以及流固共轭传热，模型更加贴合实际，模拟计算结果更加准确；将翅片管结霜的瞬态过程简化为准稳态过程，该方法可以节约大量的计算时长，计算效率和可靠性高。
一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、对LNG空温式气化器进行现场运行测试，测量现场环境温度T0、湿度H0和大气压力P0，测量某一运行时刻tn下的气化器进口处液化天然气的压力Pin和气化器出口处天然气的压力Pout、气化器进口处液化天然气的流速Vin和气化器进口处液化天然气的温度Tin，以及气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度Ts、霜层温度Tf，霜层厚度df和翅片管表面霜层外侧的空气流速Va，所述的不同位置指的是每个形成结霜的翅片管翅片的外壁从上到下至少三个等距点位；
步骤二、通过数据处理软件将采集的所有形成结霜的翅片管在某个运行时刻tn下不同位置处的霜层温度Tf、霜层厚度df和翅片管表面霜层外侧的空气流速Va分别与翅片管外壁温度Ts的数据拟合分析，通过最小二乘法得到某一运行时刻tn下的整个气化器的所有结霜翅片管外壁温度Ts与霜层厚度df、霜层温度Tf、翅片管表面霜层外侧的空气流速Va的拟合关系式df＝fd(Ts)＝A1Ts 2+B1Ts+C1，Tf＝fT(Ts)＝A2Ts+B2，Va＝fV(Ts)＝A3Ts 2+B3Ts+C3；公式中A1、B1、C1、A2、B2、A3、B3、C3分别为拟合出的常数；
步骤三、建立与某一运行时刻tn对应的LNG空温式气化器结霜时的等效导热系数计算模型：将每单位长度的每根结霜翅片管在某一运行时刻tn增加的霜层热阻Rf和该单位长度的翅片管的本体热阻Ro的和等效为未结霜条件下该单位长度翅片管的导热热阻Re，并将等效后的导热热阻Re的等效导热系数λe表示为所述单位长度的结霜翅片管的翅片管外壁温度Ts的函数，单位长度为气化器的几何网格划分时的最小网格的长度；
公式中λ、din、dout、A2、A2'、A2”、Am和β均为固定值；λ为气化器材料铝合金的导热系数；din为翅片管内直径，dout为翅片管外直径；A2为单位长度翅片管的管外表面积；A2'为单位长度翅片管的管外无翅片部分表面积；A2”为单位长度翅片管的管外翅片部分表面积；Am＝l*[36/(λ*δ)]1/2，其中l为翅片高度，δ为翅片厚度；β为翅片管的肋化系数，β＝A0/A2，A0为翅片管的管内表面积，A2为翅片管的管外表面积；fV(Ts)是霜层外侧的空气流速Va的函数表达关系式，Va＝fV(Ts)，Ts是气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度；Z(Ts)是霜层热阻Rf的函数表达关系式，Rf＝Z(Ts)＝df/λf＝fd(Ts)/g(Ts)，其中g(Ts)是霜层导热系数λf的函数表达关系式，
步骤四、在仿真软件中建立LNG空温式气化器整体几何模型，划分网格和计算域，选择物理模型和方程，设置所述的计算域的材料属性和边界条件，将气化器翅片管的等效导热系数λe作为气化器材料结霜时的导热系数，进行求解和初始化设置，然后进行模拟计算，具体如下：
S1：使用三维几何建模软件建立1:1比例的LNG空温式气化器整体几何模型，然后通过有限元网格划分软件对整体几何模型进行网格划分和计算域划分；所述的计算域划分为LNG流体域、气化器固体域和空气流体域三部分；所述的LNG流体域为LNG在气化器内部通道流动区域；所述的气化器固体域为气化器本体；所述的空气流体域为气化器本体外部的空气流动区域；
S2：将网格划分后的LNG空温式气化器的整体几何模型导入流体分析软件中，且计算域采用所述的LNG流体域、气化器固体域和空气流体域；将所述的LNG流体域与气化器固体域之间的接触面，以及气化器固体域与空气流体域之间的接触面设定为Interface面，并在Interface设定中选择Couple选项，使得对应的接触面可以完成热量传递；
S3：在所述的流体分析软件中启用重力模型、多相流模型、湍流模型、沸腾相变模型、连续性方程、动量方程、能量方程和组分运输方程，近壁面处理采用标准壁面函数法；所述的多相流模型采用Mixture模型，湍流模型采用Realizable k-ε湍流模型，沸腾相变模型采用蒸发冷凝Lee模型；
S4：设置所述的计算域的材料属性：
在所述的流体分析软件中分别添加LNG和NG流体材料，然后在所述的多相流模型中将LNG流体材料设置为首项，并设置从LNG到NG的相变，反应机理选择所述的蒸发冷凝Lee模型；在所述的流体分析软件中添加铝合金固体材料，铝合金固体材料参数采用软件材料库中的物性数据，然后将铝合金固体材料的导热系数从固定值λ修改为分段多项式温度函数法表示，对于在结霜温度范围的气化器材料导热系数设置为等效导热系数λe＝F(Ts)，对于在未结霜温度范围的气化器材料导热系数设置为固定值λ；在所述的流体分析软件中添加湿空气混合材料，所述的湿空气混合材料包含空气和水蒸气，湿空气混合材料的材料属性采用软件材料库中的物性数据；
S5：设置所述的计算域的边界条件：
所述的LNG流体域出口设置为压力出口边界，压力的大小采用现场测试的气化器出口压力Pout；所述的LNG流体域进口设置为速度进口边界，速度和温度的大小采用现场测试的气化器进口流速Vin和温度Tin；位于气化器上方的空气流体域顶面和位于气化器四周的空气流体域的侧面设置为压力进口边界，压力和温度的大小采用现场测试的大气压力P0和环境温度T0，用于模拟空气湿度的空气流体域空气湿度大小按照现场测试的环境湿度设置；位于气化器底部的空气流体域底面设置为压力出口边界；
本步骤中所述的空气流体域定义为一个可以包围气化器的六面体，所述的六面体内部除气化器外的空间表示气化器外部的空气，空气流体域顶部、侧面和底面指整个气化器外面六面体的顶部、侧面和底面；
S6：采用所述的流体分析软件中的SIMPLE算法作为S1中划分的几何模型网格的求解方法并进行初始化设置，然后对步骤S1中建立的几何模型进行计算模拟；如果残差曲线收敛以及监测的NG出口温度和流速不再变化，则停止计算，输出气化器传热数值模拟结果数据；否则继续运行；
步骤五、将数值模拟输出的结果数据导入到后处理软件中进行分析，在后处理软件中显示出LNG空温式气化器表面的温度云图、气化器管内LNG流体域的温度云图、速度云图和组分云图，选取LNG流体域出口截面，得到LNG出口温度和出口流速，选取LNG流体域组分云图，得到流体域中液相段、两相段和气相段的占比情况；并通过点选取或者截面选取，查看气化器表面不同位置点或截面处的温度、热通量等热力参数，从而直观的获取LNG空温式气化器在结霜条件下的流固共轭传热特性和气化性能。
本发明的优点：
1.本发明提供的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，将翅片管结霜的瞬态过程简化为准稳态过程，即在一定的运行时间步长内，认为该过程是稳定的；然后将不同运行时刻结霜条件下增加的霜层热阻和翅片管本体热阻的和等效为未结霜条件下气化器翅片管材料的导热热阻，将等效后的翅片管导热热阻的导热系数表示为翅片管外壁温度的函数；该方法实现了气化器在结霜状态下的整体性能模拟，并考虑了不同翅片管之间的相互影响，模拟结果更加准确，并可大幅度减少模拟计算时长，提高模拟效率。
2.本发明提供的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，兼顾了气化器管内的气液相变流动传热以及流固共轭传热对气化器结霜条件下的性能影响，模型更加贴合实际，模拟计算结果更加准确，可用于气化器在结霜条件下的传热性能和气化性能模拟研究，以及对气化器的设计优化之中，具有较好的实用性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法的方法流程图；
图2为本发明进行性能模拟采用的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的翅片管四分之一剖面图；
图3为采用本发明的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法将霜层热阻Rf和翅片管本体热阻Ro的和等效为翅片管导热热阻Re的原理图；
图4为采用本发明的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法在不同翅片管位置处的霜层热阻Rf与翅片管外壁温度Ts的关系示意图；
图5为采用本发明的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法在不同运行时间下的霜层热阻与翅片管外壁温度的拟合曲线图；
图6为采用本发明一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法的气化器的几何模型示意图；
图7为图6所示的气化器的几何模型俯视图；
图8为图6所示的气化器的几何模型正视图；
图9为图6所示的气化器的几何模型侧视图；
图10为采用本发明的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法的气化器的几何模型网格划分示意图；
图11为本发明的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法的不同气化器翅片管支路管内的液相段、两相段和气相段的占比对比图；
图12为本发明的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法的气化器出口温度在不同运行时间下的模拟结果和实际测量结果对比图。
图中，1为翅片外的霜层；2为气化器翅片管；3为LNG。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
另外，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如图1所示，本发明的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，包括以下步骤：
步骤一、对LNG空温式气化器进行现场运行测试，测量现场环境温度T0、湿度H0和大气压力P0，测量某一运行时刻tn下(如1h、2h、4h、8h等)的气化器进口处液化天然气的压力Pin和气化器出口处天然气的压力Pout、气化器进口处液化天然气的流速Vin和气化器进口处液化天然气的温度Tin，以及气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度Ts、霜层温度Tf，霜层厚度df和翅片管表面霜层外侧的空气流速Va，所述的不同位置指的是每个形成结霜的翅片管翅片的外壁从上到下至少三个等距点位。
步骤二、通过数据处理软件(如SPSS、Origin等)将采集的所有形成结霜的翅片管在某个运行时刻tn下不同位置处的霜层温度Tf、霜层厚度df和翅片管表面霜层外侧的空气流速Va分别与翅片管外壁温度Ts的数据拟合分析，通过最小二乘法得到某一运行时刻tn下的整个气化器的所有结霜翅片管外壁温度Ts与霜层厚度df、霜层温度Tf、翅片管表面霜层外侧的空气流速Va的拟合关系式df＝fd(Ts)＝A1Ts 2+B1Ts+C1，Tf＝fT(Ts)＝A2Ts+B2，Va＝fV(Ts)＝A3Ts 2+B3Ts+C3；公式中A1、B1、C1、A2、B2、A3、B3、C3分别为拟合出的常数。
本步骤是将每一根形成结霜的翅片管的外壁温度和霜层厚度的关系整合起来，拟合出一个关系式，即将在同一个运行时间tn下的所有翅片管的数据汇总起来，对气化器所有的结霜翅片管的数据进行拟合，分别拟合出df＝fd(Ts)；Tf＝fT(Ts)；Va＝fV(Ts)各一个关系式(这个关系式拟合了所有的翅片管)；不同运行时间，会有不同的关系式。因为每一根翅片管的温度分布是不同的，所有翅片管的数据汇总起来，可以增加温度的分布范围，有利于提高拟合的准确性。如图2所示的本发明进行性能模拟采用的一种LNG空温式气化器在结霜条件下的翅片管四分之一剖面图，标出了霜层厚度df、翅片管外直径dout、翅片管内直径din和翅片厚度δ。
步骤三、建立与某一运行时刻tn对应的LNG空温式气化器结霜时的等效导热系数计算模型：如图3所示，将每单位长度(单位长度为气化器的几何网格划分时的最小网格的长度)的每根结霜翅片管在某一运行时刻tn增加的霜层热阻Rf和该单位长度的翅片管的本体热阻Ro的和等效为未结霜条件下该单位长度翅片管的导热热阻Re，并将等效后的导热热阻Re的等效导热系数λe表示为所述单位长度的结霜翅片管的翅片管外壁温度Ts的函数：
公式中λ、din、dout、A2、A2'、A2”、Am和β均为固定值；λ为气化器材料铝合金的导热系数，W/(m·K)，可通过专业书籍资料查询到(如《实用有色金属材料手册》，广东科技出版社，2006)；din为翅片管内直径，dout为翅片管外直径，m，可通过设计得图纸到；A2为单位长度翅片管的管外表面积，m2；A2'为单位长度翅片管的管外无翅片部分表面积，m2；A2”为单位长度翅片管的管外翅片部分表面积，m2；A2、A2'和A2”可通过设计得图纸计算得出；Am＝l*[36/(λ*δ)]1/2，其中l为翅片高度，δ为翅片厚度，m，l和δ可通过设计图纸得到；β为翅片管的肋化系数，β＝A0/A2，A0为翅片管的管内表面积，A2为翅片管的管外表面积，m2，可通过设计得图纸计算得出。fV(Ts)是霜层外侧的空气流速Va的函数表达关系式，Va＝fV(Ts)，Ts是气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度，K；Z(Ts)是霜层热阻Rf的函数表达关系式，Rf＝Z(Ts)＝df/λf＝fd(Ts)/g(Ts)，其中g(Ts)是霜层导热系数λf的函数表达关系式，
由于翅片管每一段的外壁温度Ts和霜层厚度df不同，所以翅片管每单位长度的霜层热阻Re也不同(如图4所示)，将霜层热阻Rf和Ts建立关联式，可以将翅片管每一段单位长度的霜层热阻Rf用翅片管外壁温度Ts来表示；这样整根翅片管增加的霜层热阻Re，不再是每一段相同的固定值，而是随着每一段翅片管外壁温度Ts而变化的线性值；最后将等效后的结霜翅片管导热热阻Re的导热系数λe表示为翅片管外壁温度Ts的函数；每根翅片管的每一段单位长度的增加的霜层热阻Rf和导热系数λe都不一样，但所有段的导热系数都用这一个λe＝F(Ts)函数关系式来计算出。
等效结霜翅片管导热热阻Re的导热系数λe与结霜翅片管外壁温度Ts的函数关系式λe＝F(Ts)推导过程如下：
首先，令LNG空温式气化器的翅片管在结霜情况下的总传热系数Kf(总传热系数根据《传热学(第五版)》(高等教育出版社，2019)中关于通过肋壁的传热过程计算公式得出)等同于未结霜情况下的翅片管的总传热系数K，然后通过移项得出气化器材料铝合金的等效导热系数λe的表达式，如下：
式中，Kf为LNG空温式气化器的翅片管在结霜情况下的总传热系数，W/(m2·K)；K为LNG空温式气化器的翅片管下未结霜情况下的总传热系数，W/(m2·K)；hin为翅片管内的表面传热系数，W/(m2·K)；din为翅片管内直径，m；λ为气化器材料铝合金的导热系数，W/(m·K)；dout为翅片管外直径，m；η为翅片效率(翅片效率＝翅片表面的实际散热量/假定翅片外壁温度等于翅根温度时的散热量)；β为翅片管的肋化系数；hout为翅片管管外的空气侧传热系数，W/(m2·K)；Rf为霜层热阻，(m2·K)/W；λe为气化器材料铝合金的等效导热系数，W/(m·K)。
λ可通过专业书籍资料查询到(如《实用有色金属材料手册》，广东科技出版社，2006)；din和dout可通过设计得图纸到；η、β、hout和Rf可通过下面的公式进行计算出；hin在计算中被消去，无需求解。
其中，翅片管管外的空气侧传热系数hout为表示为管外的空气侧对流换热系数hout,d和管外的空气侧辐射换热系数hout,r的相加值：hout＝hout,d+hout,r；由于翅片管外壁温度Ts对空气侧对流换热系数hout,d的影响很小，通过现场测量翅片管表面霜层外侧的空气流速Va计算：hout＝18×Va；
翅片效率η的计算公式为：
式中，A2为翅片管的管外表面积，m2；A2'为翅片管的管外无翅片部分表面积，m2；A2”为翅片管的管外翅片部分表面积，m2；A2、A2'和A2”可通过设计得图纸计算得出；ηf为翅片表面效率，计算公式如下：
式中，m为翅片系数；l为翅片高度，m；λ为气化器材料铝合金的导热系数，W/(m·K)；δ为翅片厚度，m；l和δ可通过设计图纸得到；hout为翅片管管外的空气侧传热系数，W/(m2·K)，当忽略空气侧的辐射换热时，hout根据霜层外侧的空气流速Va计算得出hout＝18×Va，并根据翅片管外壁温度Ts与霜层外侧的空气流速的拟合关系Va＝fV(Ts)，将hout表达为与翅片管外壁温度Ts的函数hout＝18×Va＝18×fV(Ts)，则m＝[2*18*fV(Ts)/(λ*δ)]1/2，令Am＝l*[36/(λ*δ)]1/2，则ηf＝th(Am*fV(Ts)1/2)/(Am*fV(Ts)1/2)。
翅片管的肋化系数β的计算公式为：
式中，A0为翅片管的管内表面积，m2；A2为翅片管的管外表面积，m2；可通过设计得图纸计算得出。
其中，霜层热阻Rf的计算公式为：
式中，df为霜层厚度，mm；λf为霜层导热系数，W/(m·K)，其大小主要取决于霜层密度ρf，可由Sanders关联式(参考文献：SekerD,Karatas H,EgricanN.Frost formationonfin-and-tube heat exchangers.Part I-Modeling of frost formation on fin-and-tube heat exchangers[J].InternationalJournal ofRefrigeration,2004,27(4):367-374.翅片管式热交换器结霜，第一部分：翅片管式热交换器结霜模型，《国际制冷杂志》)计算而得：
λf＝0.001202ρf 0.963
式中，ρf为霜层的密度，kg/m3；计算公式如下：
式中，Tf为霜层的温度，K。
联立以上两公式，得到霜层导热系数λf随着霜层温度Tf变化的公式为：
并根据翅片管外壁温度Ts和霜层温度Tf之间的拟合关系式Tf＝fT(Ts)，得到霜层导热系数λf和翅片管外壁温度Ts的函数表达式如下：
则霜层热阻Rf表达为翅片管外壁温度Ts的函数Rf＝df/λf＝fd(Ts)/g(Ts)＝Z(Ts)。如图5所示的不同运行时间下的霜层热阻Rf与翅片管外壁温度Ts的拟合曲线图。
将Rf＝Z(Ts)，η＝(A2'+A2”nf)/A2和ηf＝th(AmfV(Ts)1/2)/(AmfV(Ts)1/2)代入到气化器材料铝合金的等效导热系数λe的表达式中，得到：
公式中λ、din、dout、A2、A2'、A2”、Am和β均为固定值；则气化器翅片管的等效导热系数λe表达为翅片管外壁温度Ts的函数λe＝F(Ts)。
步骤四、在仿真软件中建立LNG空温式气化器整体几何模型，划分网格和计算域，选择物理模型和方程，设置所述的计算域的材料属性和边界条件，将气化器翅片管的等效导热系数λe作为气化器材料结霜时的导热系数，进行求解和初始化设置，然后进行模拟计算。具体如下：
S1：如图6～图9所示，使用三维几何建模软件(如SolidWorks、ANSYSDesignModeler等)建立1:1比例的LNG空温式气化器整体几何模型，然后通过有限元网格划分软件(如ICEM CFD、ANSYS Meshing等)对整体几何模型进行网格划分(如图10所示为通过ANSYS Meshing对所述的几何模型网格划分的示意图)和计算域划分。所述的网格划分需兼顾网格数量、网格密度和网格质量，以提高计算效率和准确度；所述的计算域划分为LNG流体域、气化器固体域和空气流体域三部分；所述的LNG流体域为LNG在气化器内部通道流动区域；所述的气化器固体域为气化器本体；所述的空气流体域为气化器本体外部的空气流动区域。
S2：将网格划分后的LNG空温式气化器的整体几何模型导入流体分析软件中(如ANSYS Fluent)，且计算域采用所述的LNG流体域、气化器固体域和空气流体域；将所述的LNG流体域与气化器固体域之间的接触面，以及气化器固体域与空气流体域之间的接触面设定为Interface面，并在Interface设定中选择Couple选项，使得对应的接触面可以完成热量传递。
S3：在所述的流体分析软件中启用重力模型、多相流模型、湍流模型、沸腾相变模型、连续性方程、动量方程、能量方程和组分运输方程，近壁面处理采用标准壁面函数法；所述的多相流模型采用Mixture模型，湍流模型采用Realizable k-ε湍流模型，沸腾相变模型采用蒸发冷凝Lee模型。
S4：设置所述的计算域的材料属性：
在所述的流体分析软件中分别添加LNG和NG流体材料，材料参数采用相关书籍资料(《液化天然气技术手册》机械工业出版社，2010)中关于LNG和NG的物性参数数据，然后在所述的多相流模型中将LNG流体材料设置为首项，并设置从LNG到NG的相变，反应机理选择所述的蒸发冷凝Lee模型；在所述的流体分析软件中添加铝合金固体材料，铝合金固体材料参数采用软件材料库中的物性数据，然后将铝合金固体材料的导热系数从固定值λ修改为分段多项式温度函数法表示，对于在结霜温度范围的气化器材料导热系数设置为等效导热系数λe＝F(Ts)，对于在未结霜温度范围的气化器材料导热系数设置为固定值λ；在所述的流体分析软件中添加湿空气混合材料，所述的湿空气混合材料包含空气和水蒸气，湿空气混合材料的材料属性采用软件材料库中的物性数据。
S5：设置所述的计算域的边界条件：
所述的LNG流体域出口设置为压力出口边界，压力的大小采用现场测试的气化器出口压力Pout；所述的LNG流体域进口设置为速度进口边界，速度和温度的大小采用现场测试的气化器进口流速Vin和温度Tin；位于气化器上方的空气流体域顶面和位于气化器四周的空气流体域的侧面设置为压力进口边界，压力和温度的大小采用现场测试的大气压力P0和环境温度T0，用于模拟空气湿度的空气流体域空气湿度大小按照现场测试的环境湿度设置；位于气化器底部的空气流体域底面设置为压力出口边界。
本步骤中所述的空气流体域定义为一个可以包围气化器的六面体，所述的六面体内部除气化器外的空间表示气化器外部的空气，空气流体域顶部、侧面和底面指整个气化器外面六面体的顶部、侧面和底面。
S6：采用所述的流体分析软件中的SIMPLE算法作为S1中划分的几何模型网格的求解方法并进行初始化设置，然后对步骤S1中建立的几何模型进行计算模拟；如果残差曲线收敛以及监测的NG出口温度和流速不再变化，则停止计算，输出气化器传热数值模拟结果数据；否则继续运行。
进一步的，为了使初始化的结果尽可能贴近实际物理结果，以保证计算过程的稳定性、并加快收敛速度，通过所述的流体分析软件中的Patch功能分别设置LNG流体域入口的LNG体积分数为1，温度为123K；气化器固体域的温度为260K；翅片管外空气流体域中空气的体积分数为1，温度由自定义的公式确定：T＝279+7z，其中，T为空气温度，K；z为z轴方向(z轴设定为垂直于气化器底部，竖直向上的方向)的高度，m。
步骤五、将数值模拟输出的结果数据导入到后处理软件(如Tecplot、Ensight等)中进行分析，在后处理软件中可显示出LNG空温式气化器表面的温度云图、气化器管内LNG流体域的温度云图、速度云图和组分云图，选取LNG流体域出口截面，得到LNG出口温度和出口流速，选取LNG流体域组分云图，得到流体域中液相段、两相段和气相段的占比情况；并通过点选取或者截面选取，查看气化器表面不同位置点或截面处的温度、热通量等热力参数，从而直观的获取LNG空温式气化器在结霜条件下的流固共轭传热特性和气化性能。
分析结果如图11和图12所示，图11为结霜条件下不同气化器翅片管支路管内的液相段、两相段和气相段的占比情况，可以看出不同翅片管支路的气化效果不同；图12为气化器出口温度在不同运行时间下的模拟结果和实际测量结果对比，可以看出该方法的模拟结果与实际测量结果误差较小，具有较好的准确性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一、对LNG空温式气化器进行现场运行测试，测量现场环境温度T0、湿度H0和大气压力P0，测量某一运行时刻tn下的气化器进口处液化天然气的压力Pin和气化器出口处天然气的压力Pout、气化器进口处液化天然气的流速Vin和气化器进口处液化天然气的温度Tin，以及气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度Ts、霜层温度Tf，霜层厚度df和翅片管表面霜层外侧的空气流速Va，所述的不同位置指的是每个形成结霜的翅片管翅片的外壁从上到下至少三个等距点位；
步骤二、通过数据处理软件将采集的所有形成结霜的翅片管在某个运行时刻tn下不同位置处的霜层温度Tf、霜层厚度df和翅片管表面霜层外侧的空气流速Va分别与翅片管外壁温度Ts的数据拟合分析，通过最小二乘法得到某一运行时刻tn下的整个气化器的所有结霜翅片管外壁温度Ts与霜层厚度df、霜层温度Tf、翅片管表面霜层外侧的空气流速Va的拟合关系式df＝fd(Ts)＝A1Ts 2+B1Ts+C1，Tf＝fT(Ts)＝A2Ts+B2，Va＝fV(Ts)＝A3Ts 2+B3Ts+C3；公式中A1、B1、C1、A2、B2、A3、B3、C3分别为拟合出的常数；
步骤三、建立与某一运行时刻tn对应的LNG空温式气化器结霜时的等效导热系数计算模型：将每单位长度的每根结霜翅片管在某一运行时刻tn增加的霜层热阻Rf和该单位长度的翅片管的本体热阻Ro的和等效为未结霜条件下该单位长度翅片管的导热热阻Re，并将等效后的导热热阻Re的等效导热系数λe表示为所述单位长度的结霜翅片管的翅片管外壁温度Ts的函数，单位长度为气化器的几何网格划分时的最小网格的长度；
公式中λ、din、dout、A2、A2'、A2”、Am和β均为固定值；λ为气化器材料铝合金的导热系数；din为翅片管内直径，dout为翅片管外直径；A2为单位长度翅片管的管外表面积；A2'为单位长度翅片管的管外无翅片部分表面积；A2”为单位长度翅片管的管外翅片部分表面积；Am＝l*[36/(λ*δ)]1/2，其中l为翅片高度，δ为翅片厚度；β为翅片管的肋化系数，β＝A0/A2，A0为翅片管的管内表面积，A2为翅片管的管外表面积；fV(Ts)是霜层外侧的空气流速Va的函数表达关系式，Va＝fV(Ts)，Ts是气化器的每个形成结霜的翅片管的不同位置处的外壁温度；Z(Ts)是霜层热阻Rf的函数表达关系式，Rf＝Z(Ts)＝df/λf＝fd(Ts)/g(Ts)，其中g(Ts)是霜层导热系数λf的函数表达关系式，
步骤四、在仿真软件中建立LNG空温式气化器整体几何模型，划分网格和计算域，选择物理模型和方程，设置所述的计算域的材料属性和边界条件，将气化器翅片管的等效导热系数λe作为气化器材料结霜时的导热系数，进行求解和初始化设置，然后进行模拟计算，具体如下：
S1：使用三维几何建模软件建立1:1比例的LNG空温式气化器整体几何模型，然后通过有限元网格划分软件对整体几何模型进行网格划分和计算域划分；所述的计算域划分为LNG流体域、气化器固体域和空气流体域三部分；所述的LNG流体域为LNG在气化器内部通道流动区域；所述的气化器固体域为气化器本体；所述的空气流体域为气化器本体外部的空气流动区域；
S2：将网格划分后的LNG空温式气化器的整体几何模型导入流体分析软件中，且计算域采用所述的LNG流体域、气化器固体域和空气流体域；将所述的LNG流体域与气化器固体域之间的接触面，以及气化器固体域与空气流体域之间的接触面设定为Interface面，并在Interface设定中选择Couple选项，使得对应的接触面可以完成热量传递；
S3：在所述的流体分析软件中启用重力模型、多相流模型、湍流模型、沸腾相变模型、连续性方程、动量方程、能量方程和组分运输方程，近壁面处理采用标准壁面函数法；所述的多相流模型采用Mixture模型，湍流模型采用Realizable k-ε湍流模型，沸腾相变模型采用蒸发冷凝Lee模型；
S4：设置所述的计算域的材料属性：
在所述的流体分析软件中分别添加LNG和NG流体材料，然后在所述的多相流模型中将LNG流体材料设置为首项，并设置从LNG到NG的相变，反应机理选择所述的蒸发冷凝Lee模型；在所述的流体分析软件中添加铝合金固体材料，铝合金固体材料参数采用软件材料库中的物性数据，然后将铝合金固体材料的导热系数从固定值λ修改为分段多项式温度函数法表示，对于在结霜温度范围的气化器材料导热系数设置为等效导热系数λe＝F(Ts)，对于在未结霜温度范围的气化器材料导热系数设置为固定值λ；在所述的流体分析软件中添加湿空气混合材料，所述的湿空气混合材料包含空气和水蒸气，湿空气混合材料的材料属性采用软件材料库中的物性数据；
S5：设置所述的计算域的边界条件：
所述的LNG流体域出口设置为压力出口边界，压力的大小采用现场测试的气化器出口压力Pout；所述的LNG流体域进口设置为速度进口边界，速度和温度的大小采用现场测试的气化器进口流速Vin和温度Tin；位于气化器上方的空气流体域顶面和位于气化器四周的空气流体域的侧面设置为压力进口边界，压力和温度的大小采用现场测试的大气压力P0和环境温度T0，用于模拟空气湿度的空气流体域空气湿度大小按照现场测试的环境湿度设置；位于气化器底部的空气流体域底面设置为压力出口边界；
本步骤中所述的空气流体域定义为一个可以包围气化器的六面体，所述的六面体内部除气化器外的空间表示气化器外部的空气，空气流体域顶部、侧面和底面指整个气化器外面六面体的顶部、侧面和底面；
S6：采用所述的流体分析软件中的SIMPLE算法作为S1中划分的几何模型网格的求解方法并进行初始化设置，然后对步骤S1中建立的几何模型进行计算模拟；如果残差曲线收敛以及监测的NG出口温度和流速不再变化，则停止计算，输出气化器传热数值模拟结果数据；否则继续运行；
步骤五、将数值模拟输出的结果数据导入到后处理软件中进行分析，在后处理软件中显示出LNG空温式气化器表面的温度云图、气化器管内LNG流体域的温度云图、速度云图和组分云图，选取LNG流体域出口截面，得到LNG出口温度和出口流速，选取LNG流体域组分云图，得到流体域中液相段、两相段和气相段的占比情况；并通过点选取或者截面选取，查看气化器表面不同位置点或截面处的温度、热通量等热力参数，从而直观的获取LNG空温式气化器在结霜条件下的流固共轭传热特性和气化性能。
2.根据权利要求1所述的LNG空温式气化器在结霜条件下的性能模拟方法，其特征在于：所述的步骤四S6中通过所述的流体分析软件中的Patch功能分别设置LNG流体域入口的LNG体积分数为1，温度为123K；气化器固体域的温度为260K；翅片管外空气流体域中空气的体积分数为1，温度由自定义的公式确定：T＝279+7z，其中，T为空气温度，K；z为z轴方向，z轴设定为垂直于气化器底部，竖直向上的方向的高度。
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