一种火灾环境下lpg储罐涂层防护系统性能分析的方法
【专利摘要】本发明公开了一种火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能分析的方法，其步骤如下：1：构建火灾环境下LPG储罐涂层被动防护系统性能分析的小波有限元模型；2：构建火灾环境下LPG储罐涂层被动防护系统的小波有限单元；3：构建火灾环境下LPG储罐涂层被动防护系统的整体小波有限单元列式；4：进行数值计算；5：进行火灾环境LPG储罐涂层防护系统的实验测试；6：通过分析结果选择最佳的小波有限单元；7：改变火灾的类型、涂层的材料和结构以及火焰的类型，进行数值分析，从而能够寻找到火灾环境下LPG储罐的涂层防护机理；8：对已有的LPG储罐涂层防护系统进行设计和优化，从而能够降低火灾环境下LPG储罐的爆炸危险性。
【专利说明】一种火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能分析的方法
【技术领域】:
[0001]本发明涉及火灾环境下LPG储罐涂层被动防护系统，具体说，涉及用于分析涂层被动防护系统性能的火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能分析的方法，采用气固液耦合小波有限兀分析方法。
【背景技术】:
[0002]火灾环境下，LPG储罐暴露于火焰中，储罐内的压力增加，罐壁的温度增加，同时强度降低，火灾持续一定时间后，罐壁将产生裂口，易燃易爆的LPG将泄漏，将导致LPG储罐的爆炸，一旦产生LPG储罐的火灾爆炸事故，将摧毁石油企业的设备、建筑物等，使石油企业遭受巨大的经济损失，严重地情况下将造成人员的伤亡，同时，LPG储罐的火灾爆炸事故还会引起环境的污染。因此，有必要采取相应的安全防保措施使LPG储罐的火灾爆炸事故产生的损失降低高最小。
[0003]火灾一般都是突发事故，情况非常紧急，因此，在主动防护系统的作用下LPG储罐罐壁的外表面仍有一部分不能被湿润，当喷淋装置压力供应不足甚至由于故障无法启动时，就达不到湿润LPG储罐外表面的目的。因此，火灾环境下被动LPG防火系统的设置是非常必要，被动防火系统可以通过作用于LPG储罐外表面的涂层使LPG储罐外壳在火灾持续几个小时的时间内保持低状态，从而能够使LPG储罐处于一个安全的状态，为消防员赶到现场灭火提供了救援时间。
[0004]火灾环境下LPG储罐的爆炸危险性主要取决于罐内LPG温度和压力的变化以及LPG储罐罐壁应力的变化。当内部压力和储罐罐壁应力超过了罐壁的强度极限，储罐将产生裂纹，泄漏的LPG遇到明火将点燃，引起进一步的火灾，如果未被点燃将形成密度大于空气的蒸汽云，遇到明火将发生爆炸；尤其当LPG储罐发生整体破裂时，将发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸。在火灾环境下，气相LPG的温度和压力、液相LPG的温度和压力以及固体储罐罐壁的温度及应力对于储罐的危险性有着非常重要的影响，而且存在着交叉影响作用，并且有很多的影响因素，比如，火焰的强度、LPG介质的特性、烟气的浓度、风向以及储罐的材料和结构等，因此，应该研究储罐内LPG温度和压力以及罐壁应力的变化规律，从而能够有效地分析涂层被动防火机理，能够准确地研究涂层被动防火系统的防火效果，确保火灾环境下LPG储罐的安全性。
[0005]近年来，国内外相关科学家从不同的角度研究了储罐火灾环境下的热力学响应，并且就储罐防爆预警机制进行了探讨，但是，对储罐涂层被动防护系统的防护机理的研究鲜有报道，因此，深入分析火灾环境下LPG储罐涂层被动防火机理对于提高储罐的安全性具有非常重要的理论意义。火灾环境下LPG储罐在涂层的防护下LPG温度和压力以及储罐罐壁应力的响应规律仅仅依靠物理试验是比较困难，主要在于火灾环境下周围的较难控制，比如，温度、风力、烟气的浓度变化具有较大的随机性等。因此，应该寻求一种先进的数值仿真技术来进行储罐涂层被动防火机理的研究。火灾环境下LPG储罐内的液相和气相的LPG以及储罐罐壁应力变化具有较强的非线性，利用传统的有限元技术进行数值模拟将产生数值振荡，而小波有限元技术在处理强非线性问题具有较强的优势，利用小波有限元来研究涂层被动防火机理能够提高计算的效率和准确性。
【发明内容】
:
[0006]本发明提供一种火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能分析的方法，将小波有限元理论应用于火灾环境下LPG储罐涂层被动防火机理的研究中，以小波函数作为插值函数构建出小波有限元单元，对火灾环境下LPG储罐LPG的热力学响应模型进行求解，并且获得储罐罐壁应力的变化规律，并且研究不同涂层材料和结构的被动防火系统下的LPG储罐在火灾环境中内部LPG的热力学以及储罐罐壁应力的响应规律，从而可以设计出最优的涂层被动防火系统，确保火灾环境下LPG储罐的安全性。
[0007](a)利用质量守恒方程、动量守恒方程以及能量守恒方程构建火灾环境下LPG储罐内部LPG温度响应模型；利用RNG k- ε模型描述火灾环境下LPG储罐内LPG的湍流模型；利用VOF模型描述气相和液相LPG两相流动，并且利用三参数状态方程来描述气液两相的质量和能量转换。热传导是涂层热量传递的主要方式，进而构建出涂层的热传导模型，同时利用弹性理论构建相应的火灾环境下LPG储罐罐壁应力响应模型。
[0008](b)根据火灾环境下LPG储罐涂层被动防火系统的实际情况，结合步骤(a)中构建的理论模型，构造出相应的小波有限单元。然后，构建出火灾环境下LPG储罐涂层被动防火系统的小波有限元列式，并且利用拉格朗日法对小波有限元列式进行求解。
[0009](C)搭建火灾环境下LPG储罐涂层被动防火测试系统，LPG的压力利用压力传感器测试，LPG的温度利用温度传感器测试，LPG储罐罐壁的应力利用应力传感器测试，测试系统如附图1所示。
[0010]通过将测试结果和小波有限元仿真结果进行比较，验证小波有限元方法的正确性。接着，进行小波有限元法的收敛性分析，找出精确度最高，求解过程最稳定的小波有限单元，从而可以提高计算的精确性和稳定性。
[0011](c)利用小波有限元技术深入研究火灾环境下LPG储罐涂层被动防火机理，分别对LPG储罐在不同火灾环境下，不同的涂层材料、不同的涂层结构、不同的火焰模型下LPG储罐内部LPG的温度和压力变化规律以及储罐罐壁的应力变化规律，并且进行试验验证，从而能够为涂层被动防火系统的优化提供有利的理论依据。
[0012]本发明的优点是:
[0013]从理论角度上，火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能分析中，气相和液相LPG的温度和压力以及储罐罐壁温度和应力的变化都呈现较强的非线性特性，利用传统的有限元对其进行求解会出现数值振荡甚至是失真的缺陷，而小波有限元技术将小波分析的多分辨分析特性和有限元法紧密地结合起来，能够根据物理量的变化特点选择相应的分析尺度，从而能够弥补传统有限元在求解非线性问题时的不足，提高分析的精度和效率。
[0014]从应用角度上看，深入地研究火灾环境下LPG储罐涂层被动防火机理的可以较好地分析LPG储罐在涂层被动防火系统作用下LPG温度和压力以及储罐罐壁应力的响应规律，从而能够有效地防止LPG储罐发生火灾爆炸事故。而LPG储罐火灾条件下LPG储罐涂层被动防护机理的影响因素很多，因此，应该进行大量的数值模拟试验，对不同涂层结构和组成下的LPG储罐在火灾环境下的LPG的温度和压力以及储罐罐壁的应力响应规律进行分析，从而能够设计出合理的涂层被动防护系统。
[0015]截止到目前为止，LPG储罐爆炸已经发生了上百起，在爆炸事故中有上万人伤亡，经济损失巨大，另外，在爆炸过程中，释放的毒气严重地污染了环境。因此，利用小波有限元对涂层被动防火系统作用下火灾环境中的LPG储罐内部LPG温度、压力以及罐壁应力的变化规律进行研究，可以有效地分析火灾环境下LPG储罐涂层被动防护机理，能够保证火灾环境LPG储罐能够在一定时间保持安全，从而为消防员赶到现场灭火提供时间，进而能够避免由于LPG储罐爆炸造成的经济损失以及人员的伤亡。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1本发明火灾环境下LPG储罐涂层被动防护系统性能测试系统。
[0017]I数据采集系统2温度传感器3压力传感器4应力传感器
[0018]5LPG储罐罐壁
[0019]图2本发明研究的技术路线。
[0020]图3LPG储罐的物理模型
[0021]I气相2LPG储罐3涂层4液相LPG
[0022]储罐的上部是气相LPG，储罐的下部是液相LPG，储罐外壁为涂层。
【具体实施方式】:
[0023]本研究主要利用仿真分析和试验测试的方法揭示火灾环境下LPG储罐涂层被动防火机理，
[0024]步骤1:构建火灾环境下LPG储罐涂层被动防护系统性能分析的小波有限元模型
[0025]Ca)构建LPG储罐温度和压力相应的数学模型。
[0026]RNGk- ε模型用于分析火灾环境下罐内LPG湍流规律，湍流动能传输模型如下所
示:
[0027]
【权利要求】
1.一种火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能分析的方法，其特征在于:其步骤如下:步骤1:构建火灾环境下LPG储罐涂层被动防护系统性能分析的小波有限元模型，包括: Ca)构建LPG储罐温度和压力相应的数学模型:利用RNGk- ε模型描述火灾环境下罐内LPG湍流规律；利用VOF模描述气相和液相LPG两相流动，主要包括连续性模型、动量模型、VOF对流模型；通过三参数状态方程描述气液两相的质量和能量转换，参数方程如下所示:<img/ 式中，a (T)表示温度、压力和偏心系数的函数，b表示温度和压力的函数，c表示第三个参数， (b)构建涂层热传导模型 (C)构建储罐罐壁的应力响应模型 火灾环境下LPG储罐罐壁由于升高的温度将产生热膨胀，进而产生热应力，通过计算出LPG储罐罐壁的初始应变ε C1，可以构建相应的应力应变模型； 在求解的过程中，将气相-液相LPG的温度响应模型温度解和压力解当作LPG储罐罐壁温度和应力响应模型计算的初值，从而能够有效地对LPG储罐温度-压力-应力气液固的耦合模型进行求解； 步骤2:构建火灾环境下LPG储罐涂层被动防护系统的小波有限单元: 由小波尺度函数ΦΥα)和Φ2(β)生成多分辨子空间{F,1I和{F,2}，子空间的张量积可以生成高阶空间，分别给出子空间上和高阶空间上的小波尺度函数； 将小波尺度函数作为插值函数，构造相应的温度函数T ( α，β )，，推导出小波有限单元的势函数，然后推导出相应的微分方程，最后可以获得小波有限单元列式； 步骤3:构建火灾环境下LPG储罐涂层被动防护系统的整体小波有限单元列式， 通过对单元矩阵的合成以及边界条件的处理，可以获得系统整体的小波有限单元列式； 步骤4:进行数值计算，涂层小波有限元的算法流程如下: 首先，进行算法的初始化设置，包括:确定火灾模型包括池火、喷射火和辐射火，输入火灾环境下LPG储罐的初始条件，输入LPG储罐的几何尺寸，LPG的热力学性能参数，LPG储罐罐壁的材料性能参数，密度、弹性模量、泊松比和导热系数；输入涂层的成份和厚度、热力学性能参数导热系数、比热、密度、热扩散系数，选择小波函数的类型，Daubechies小波、B样条小波、第二小波、曲波和脊波，输入小波函数的阶数；定义系统的系数矩阵；定义初始温度向量；选择求解的时间步长；定义有效系数矩阵；对有效系数矩阵K进行三角分解； 针对每个一个循环，操作包括:生成热载荷向量；生成有效向量；计算每一次循环的温度； 其次，根据LPG储罐温度和压力相应的数学模型计算出液相和气相LPG的温度和压力；最后，根据储罐罐的温度变化和气相LPG的压力变化计算出火灾环境下LPG储罐罐壁的应力； 步骤5:进行火灾环境LPG储罐涂层防护系统的实验测试，将测试的结果和小波有限元仿真结果进行比较，验证小波有限元的计算精度； 步骤6:优选用于火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能测试的小波有限单元，改变小波函数的类型和阶数进行收敛性分析，通过分析结果选择最佳的小波有限单元； 步骤7:改变火灾的类型、涂层的材料和结构以及火焰的类型，进行数值分析，从而能够寻找到火灾环境下LPG储罐的涂层防护机理； 步骤8:对已有的LPG储罐涂层防护系统进行设计和优化，从而能够降低火灾环境下LPG储罐的爆炸危险性。
2.根据权利要求1所述的一种火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能分析的方法，其特征在于:在步骤I中将气相-液相LPG的温度响应模型温度解和压力解当作LPG储罐罐壁温度和应力响应模型计算的初值，从而能够有效地对LPG储罐温度-压力-应力气液固的耦合模型进行求解。
3.根据权利要求1所述的一种火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能分析的方法，其特征在于:在步骤四中，火灾模型可以是池火、喷射火和辐射火；输入涂层的成本和厚度、热力学性能参数，导热系数、比热、密度、热扩散系数，小波函数的类型可以选择Daubechies小波、B样条小波、第二小波、曲波和脊波。
4.根据权利要求1所述的一种火灾环境下LPG储罐涂层防护系统性能分析的方法，其特征在于:在步骤6中，通过改变小波函数的类型和阶数进行收敛性分析，选择计算精度最高，计算效率最佳的小波有 限单元。
【文档编号】G06F17/50GK103646143SQ201310703364
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月17日 优先权日:2013年12月17日
【发明者】赵斌 申请人:辽宁石油化工大学