船用独立C型液舱蒸发率预报计算方法与流程

本发明涉及一种船用独立C型液舱蒸发率预报计算方法，属于船舶与海洋工程领域。

背景技术：

随着石油资源的短缺及世界对能源需求的日益增长，对于除石油之外其他能源的需求与日俱增。如今天然气开采技术越发成熟，其将成为最主要的能源之一，而与其相关的运输问题也逐渐成为研究热点。在船舶LNG运输的过程中，大多采用压力、低温容器来保持LNG液体运输或储存状态，即为相应的LNG液货舱和LNG燃料舱，这里统称为LNG液舱。在中小型LNG运输船上，独立C型液舱因其高运输量及低蒸发率而成为较优的选择，但是其实际蒸发率的准确预报是液罐保温层设计的关键焦点。

在此背景下，本发明提出了一种船用独立C型液舱蒸发率预报计算方法。目前，复杂的蒸发问题大多采用数值分析来模拟，主要有稳态和瞬态分析方法。其中，稳态分析无法反映LNG在蒸发过程中液量减少对蒸发率的影响；瞬态分析不仅耗时较长，且计算可靠性较低。本发明相比于传统办法，结合实验监测结果，提出了一种准瞬态分析办法。其具有以下优点：准瞬态分析办法可以较好地体现罐体内液位变化对蒸发率的影响；每一次对一定液位下的LNG采用稳态办法进行分析，通过梯形法积分得到总的平均蒸发率，增加了单步时长间隔，极大地缩短了计算耗时；通过与实验结果的对比和修正可以使得单步计算结果更加可靠。本方法能快速计算并预报蒸发率，是一种可靠、高效的计算C型液舱蒸发率方法。

技术实现要素：

为了在实际工程中解决船舶LNG液舱蒸发率预报问题，本发明提供了一种独立C型液舱蒸发率预报计算方法。该方法充分考虑以往算法的不利因素：稳态计算下容易忽略蒸发过程液位下降的影响；瞬态计算下耗时长，同时对蒸发过程把握得不够准确。该方法具有方法可靠、高效和利于实际普及、使用等优点。

本发明采用的技术方案是：一种船用独立C型液舱蒸发率预报计算方法，包括以下步骤：

(a)基于已搭建的独立C型液舱实验罐体平台监测重量和温度数据，独立C型液舱实验罐体平台包括保温层及罐体、鞍座和管系；

(b)采用网格离散方法创建与实验罐体一致的独立C型液舱漏热数值模型，以实际蒸发过程中每Δ液位高度差为计算步长，按照假设热对流系数进行稳态分析；

(c)对比步骤(a)和步骤(b)中相同液位下的重量和温度数据，修正假设热对流系数，直至与步骤(a)和步骤(b)得到的重量和温度数据吻合；

(d)重复步骤(c)直至记录下所有液位下的假设热对流系数；

(e)采用网格离散方法创建和需预报蒸发率的罐体一致的独立C型液舱漏热数值模型，按照步骤(d)记录的假设热对流系数，计算每一液位的瞬时蒸发率；

(f)将步骤(e)的瞬时蒸发率对时间积分得总的平均蒸发率。

所述独立C型液舱漏热数值模型包括仿真保温层，仿真罐壁，仿真LNG液体，仿真管系和仿真鞍座接触面，所述仿真保温层和仿真罐壁上赋予所述的保温层及罐体的实际导热系数，其外表面赋予与空气对流的热对流系数，内表面赋予与仿真LNG液体的假设热对流系数，所述仿真LNG液体上赋予其外表面液态LNG的稳定温度，所述仿真管系和仿真鞍座接触面上赋予所述管系和鞍座的实际导热系数，对所有部分采用映射网格划分，仿真保温层的规则部分：两侧的椭球头，使用较大的映射网格划分，不规则部分：与仿真管系干涉的柱体，使用较小的映射网格划分，仿真管系进行局部网格加密，仿真鞍座接触面使用和仿真保温层的柱体相同大小的映射网格划分。

本发明的有益效果是：一种船用独立C型液舱蒸发率预报计算方法包括以下步骤：(a)基于独立C型液舱实验罐体平台，监测重量和温度数据；(b)利用独立C型液舱漏热数值模型，按照假设热对流系数进行稳态分析；(c)对比步骤1)中相同液位下的重量和温度数据，修正假设热对流系数，直至步骤(a)和步骤(b)得到的重量和温度数据吻合；(d)重复步骤(c)并记录下所有液位下的假设热对流系数；(e)创建和需预报蒸发率的罐体一致的漏热数值模型，按照步骤(d)记录的热对流系数，计算对应液位的蒸发率；(f)将步骤(e)的蒸发率对时间积分得到总的平均蒸发率。该方法相比于稳态计算办法考虑了液位减少对蒸发率的影响，相比于瞬态计算办法耗时更短，且与实验结合，通过假设热对流系数的修正使得蒸发率预报更加准确。该方法相比于传统方法总体工程适用性更强、更加高效。

附图说明

图1是独立C型液舱实验罐体平台的整体图。

图2是独立C型液舱漏热数值模型的整体图。

图3是独立C型液舱漏热数值模型的内部构成图。

图4是独立C型液舱漏热数值模型网格的整体图。

图5是预报方法整体流程图。

图中：1、保温层及罐体，2、鞍座，3、管系，4、仿真保温层，5、仿真罐壁，6、仿真LNG液体，7、仿真管系，8、仿真鞍座接触面。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的具体实施做进一步描述。

图1示出了独立C型液舱实验罐体平台的整体图。该平台主要包括保温层及罐体1、鞍座2和管系3。保温层及罐体1落于鞍座2上，用于温度和重量监测；管系3从保温层及罐体1内外伸出来，用于加注低温LNG的功能。

图2、3示出了独立C型液舱漏热数值模型的具体形式，其中图3为图2的A-A剖面图。仿真保温层4和仿真罐壁5与保温层及罐体1的几何形状完全一样，其内含有仿真LNG液体6；仿真管系7从仿真保温层4和仿真罐壁5内外伸出来；仿真鞍座接触面8位于仿真保温层4外表面。

图4示出了独立C型液舱漏热数值模型离散为网格后的具体形式。仿真保温层4的规则部分-两侧的椭球头，使用较大的映射网格划分；不规则部分-与仿真管系7干涉的柱体，使用较小的映射网格划分；仿真管系7进行局部网格加密；仿真鞍座接触面8使用和仿真保温层4柱体相同大小的映射网格划分。

图5示出了预报方法的整体流程图。搭建实验罐体平台及其相应的漏热数值模型，假设一个热对流系数，以Δ液位为步距(其中Δ取一个合适的计算值)，计算漏热数值模型在该液位下的温度场和稳态蒸发率，同时，将实验罐体平台监测的相同液位下温度数据、重量数据和漏热数值模型该液位下的温度场、稳态蒸发率进行对比，调整热对流系数至数据吻合，之后对所有液位步重复以上过程，并记录各液位下当数据吻合时对应的热対流系数，最后对预报的实际罐体建立漏热数值模型，以Δ液位为步距，分别将记录下的热対流系数代入计算，求出所有液位步下的稳态蒸发率，再对时间积分，预报出总平均蒸发率

这种船用独立C型液舱蒸发率预报计算方法包括以下步骤：

(a)搭建独立C型液舱的实验罐体平台，主要包括保温层及罐体、鞍座和管系，所述保温层及罐体顶部外伸管系，所述鞍座刚性连接并支撑保温层及罐体，所述管系用于加注LNG液体。

采用网格离散方法创建和实验罐体一致的独立C型液舱漏热数值模型，主要包括仿真保温层、仿真罐壁、仿真LNG液体、仿真管系和仿真鞍座接触面，所述仿真罐壁外包裹仿真保温层并外伸仿真管系，内装有仿真LNG液体，所述仿真LNG液体按照蒸发实际液位高度改变尺寸，所述仿真鞍座接触面位于仿真保温层外表面，对所有部分采用映射网格划分，仿真保温层的规则部分：两侧的椭球头，使用较大的映射网格划分，不规则部分：与仿真管系干涉的柱体，使用较小的映射网格划分，仿真管系进行局部网格加密，仿真鞍座接触面使用和仿真保温层的柱体相同大小的映射网格划分。

(b)以实际蒸发过程中每Δ液位高度差为计算步长(其中Δ取一个合适的计算值)，每一步都采用稳态分析，其使用的热量计算式如下：

q*为热流密度(W/m²)；K_nn为导热系数(W/m·K)；为沿传热介质法向的温度梯度(K/m)，负号表示热量流向温度降低的方向；h_f为对流换热系数(或称膜传热系数，W/m²·K)；T_S为固体表面的温度(K)，T_B为周围流体的温度(K)。

其具体计算流程如下：

改变步骤(b)所述仿真LNG液体形状并赋予其外表液态LNG的稳定温度；赋予步骤(b)所述仿真保温层实际材料的导热系数，及其外表面与空气对流的热对流系数和内表面与仿真LNG液体的假设热对流系数；赋予步骤(b)所述仿真管系和所述仿真鞍座接触面其实际材料导热系数；将实验测得的步骤(a)所述保温层的温度场和仿真保温层的温度场对比；修正假设热对流系数直至温度场吻合并记录此时的假设热对流系数。

(c)重复步骤(c)并记录从100％以Δ为步长蒸发至0％的假设热对流系数。

(d)采用网格离散方法创建和欲预报的实际罐体一致的独立C型液舱漏热数值模型，主要包括数值预报保温层、数值预报罐壁、数值预报LNG液体、数值预报管系和数值预报鞍座，以实际蒸发过程中每Δ液位高度差为计算步长，每一步都采用稳态分析：改变所述数值预报LNG液体形状并赋予其外表液态LNG的稳定温度；赋予所述数值预报保温层实际材料的导热系数，及其外表面与空气对流的热对流系数和内表面与数值预报LNG液体的步骤(d)所述假设热对流系数；赋予所述数值预报管系和所述数值预报鞍座其实际材料导热系数。

(e)计算每一步的瞬时蒸发率，对时间积分得到和欲预报的实际罐体一致的C型液舱整体平均蒸发率。