液化天然气水域排放爆发沸腾发生机理研究

Explosive boiling mechanism of LNG releasing on/under water is one kind of explosive boiling researches. The multi-fluid theory and cryogenic liquid boiling theory should be included in this study. However traditional boiling theory cannot be used to explain explosive boiling whose process is rapid and should emphasize the effect of macro and micro process. As a result of that, in this project, the numerical research, theoretical analysis and experimental study should be used together and qualitative and quantitative analysis also should be used as a method to do this research. It is focus on studying explosive boiling mechanism of LNG releasing on/under water. So a visual experiments would be set up in this project, which include rapid visual monitoring, temperature and pressure measurement and so on. The purposes of these experiments are analyzing critical conditions of determining explosive boiling happening or not and how to minimize strength and hazardous of explosive boiling. Beside of that, in this project, it also would do a contrast study on traditional and explosive boiling, which is to deeply explore and find out particular characteristics and evaluation parameters of explosive boiling. Basing on the results of mechanism experiments, numerical study would be used to simulate the mass and heat transferring process of LNG releasing on/under water, which can be used to improve qualitaive results and boiling theory, to set up a control method of preventing explosive boiling occurring, and to provide theoretical evidences and technical supports for LNG safety storage and transportation.

液化天然气（LNG）水域排放爆发沸腾发生机理是爆发沸腾研究的一支分支，要融合多相流理论和低温液体沸腾理论，然而传统的沸腾理论不能解决这种突出微时间尺度效应并强调整体表现与微观过程相互影响的爆发沸腾过程。因此，本项目采用实验研究为主，结合数值计算和理论分析的方法，以LNG水域排放爆发沸腾发生机理研究为出发点，搭建爆发沸腾可视化实验平台，使用先进的高速动态记录手段与温度、压力测量技术，对影响其爆发沸腾发生条件、强度和控制手段等进行细致的分析。并与传统沸腾行为做比较，深入探索和揭示LNG水域排放爆发沸腾的基本特点，确立其评价参数。在动态机理性实验结果和多相流爆发沸腾理论基础上，采用数值模拟的方法，对低温液体破裂前传热与低温液体破裂后的压力波变化进行数值计算研究，力求对定性分析结果与沸腾理论进行完善，并提出其爆发沸腾控制方法，为LNG安全储运提供理论依据与技术储备。

液化天然气（LNG）水域排放爆发沸腾现象是爆发沸腾研究的一支分支，是一种突出微时间尺度效应、强调整体表现与微观过程相互影响的沸腾过程。因此，本项目采用实验研究为主，结合数值计算与理论分析的方法，以LNG水域排放爆发沸腾发生机理研究为出发点，完成了：. （1）设计并搭建了LNG水域排放爆发沸腾实验台，通过改变LNG组分、喷射压力、喷射持续时间、LNG过冷度、水温和入水深度等实验条件，获得的LNG水域排放最大热流密度为8MW/m2，是纯甲烷液体理论临界热流密度的36倍。. （2）实现了LNG爆发沸腾过程动态可视化观测，发现气泡演变规律包括三个阶段，分别是稳定沸腾阶段、剧烈演变阶段和聚集上浮阶段。其中剧烈演变阶段最能体现爆发沸腾发生机理，此阶段没有明显的向下运动趋势，整体加速度影响效果减弱，在局部加速度Malangoni效应的作用下，表面的蒸汽膜破碎为微气泡并向外发射，内部的低温液体与水直接接触，被水加热到超过LNG过热极限温度，进一步促进微气泡的产生，此时的蒸汽膜表面极不稳定，没有形成大气泡上浮，大量的微气泡不断地产生与泯灭，强化了蒸汽膜与水之间的传热效果。. （3）融合碎裂理论、异相成核理论与过热极限温度理论，通过实验研究与数值模拟，对LNG水域排放爆发沸腾发生机理进行分析，得出：触发爆发沸腾的必要条件包括LNG与水直接接触，且水温高于LNG的过热极限温度；决定爆发沸腾强度的关键因素包括入水速度、入水深度、水温、LNG过冷度和LNG初始组分浓度等。. （4）提出了控制触发爆发沸腾发生和减弱其强度的可行性方案，并在此基础上，开发了LNG水域泄漏数值模拟软件，该软件功能包括泄漏源强计算模块、液池扩展计算模块、气体扩散计算模块、后果计算模块和应急处理效果评估模块等，为LNG安全储运提供理论依据与技术支持。. 本课题研究是对爆发沸腾研究体系的补充，具有一定的科学意义和实用价值。