摘 要

本文基于流体力学和传热学的知识，采用ANSYS流体计算软件FLUENT6.3，建立了模拟超临界甲烷的湍流模型和壁面处理方法，确定了甲烷在超临界条件下的热物性。将中间介质气化器中的冷凝器管作为U形管建立物理模型，并对轴对称表面进行了数值计算的研究。研究了超临界条件下，热流密度和压力这两个因素对超临界甲烷流动换热特性的影响。并研究了临界区附近可能出现的传热恶化现象，结合壁面温度和热物性数据分析了这一现象的机理。

关键词：IFV冷凝管；超临界流体；甲烷；传热；数值模拟

Abstract

Based on the knowledge of fluid mechanics and heat transfer, the turbulence model and wall treatment method for simulating ultra-critical methane are presented in this paper, ANSYS FLUENT6.3 fluid calculation software is used,The thermophysical properties of methane under supercritical condition are determined.The Interme-diate Fluid Vaporizer condenser tube is considered as the U tube to establish a physical model and a numerical calculation research is carried out for an axial symmetry surface. Then the effects of heat flux and inlet pressure on the flow heat transfer characteristics of low temperature methane under supercritical conditions were studied. Finally, the possible heat transfer deterioration in the vicinity of the critical zone is studied, and the mechanism is analyzed.

Key Words：IFV condenser；Supercritical fluid；heat transfer；numerical simulation

目 录

第1章 绪论 1

1.1中间介质气化器管（IFV） 1

1.2 超临界流体 1

1.3 国内外研究现状分析 2

1.3.1 超临界流体的传热研究 2

1.3.2 中间介质气化器的相关研究 4

1.4 对超临界甲烷在IFV汽化器中换热研究的意义 5

第2章 物理模型与数值方法 6

2.1 物理模型 6

2.2 控制方程 6

2.2.1 质量守恒方程 6

2.2.2 动量守恒方程 7

2.2.3 能量守恒方程 7

2.3 湍流模型 7

2.4 网格划分 7

2.5 边界条件 8

2.6 甲烷热物性 8

2.7 数值解法 16

第3章 数值模拟结果及分析 18

3.1 数值模拟计算示例 18

3.2 压力对超临界甲烷换热的影响 20

3.2.1 低热流密度 20

3.2.2 高热流密度 22

3.2.3 压力因素综述 23

3.3 热流密度对超临界甲烷换热的影响 23

第4章 结论 25

参考文献 25

致 谢 27

第1章 绪论

1.1中间介质气化器（IFV）

随着近年来国际社会能源危机的逐渐加剧，人们开始把目光投向了液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）产业。液化天然气无色无味无毒无腐蚀性，同时密度是标准状态下甲烷的625倍，因此也更易于贮存和运输。此外，由于LNG的主要成分是以甲烷为代表的烷烃，主要构成元素是C、H，而N、S含量极少，因此它也被公认为世界上最清洁的化石能源。

在现代的LNG生产采集产业中，一般流程是将天然气从海底采集，在超低温下加压液化，再输送至海上浮式钻井平台的液化天然气站的接收终端。LNG 气化器就是专门在使用前对低温液化LNG进行气化处理的换热装置。目前市面上沿海大型LNG接收站使用中的气化器大约有如下三类：开架式气化器（ORV）、浸没燃烧式气化器（SCV）以及中间介质气化器（IFV）。其中ORV的特点是占地面积大、对海水清洁度要求高，SCV则存在运行成本较高的缺点。而中间介质气化器（Interme-diate Fluid Vaporizer，简称IFV），由于其工作原理是利用海水作为热源先加热中间介质，因此工作性能受海水的水温和水质影响较小，适合我国东海、黄海周边海域的海水含沙量较大的国情，它同时也具备换热面积大、换热性能较好的优点。因此，对这三种大型LNG接收管进行对比后可以发现，很多接收站把IFV作为首要选择不无道理。

1.2 超临界流体

在IFV气化器内进行气化的LNG气体随着换热的进行会进入超临界状态，其核心换热过程是处于超临界压力之下的。

自然界中客观存在的各种物质一般而言都有三种相态，即固态、液态和气态。而在三相图中存在两个特殊点。其中固液气三相达到平衡互相转化的点被称为三相点，而液、气两相呈平衡状态的点被称为临界点（critical point)，如图1.1所示。对不同的物质，存在不同的临界温度和临界压力。

所谓超临界状态，就是指物质的温度和压力分别高于临界温度和临界压力的状态。在此特殊状态下，由于压力和温度的升高打破了气液两相的界面，因此从本质上来说超临界流体既不是气体也不是液体，而是一种单一且均匀的物相。在临界点附近，尤其是虚拟临界温度附近，其热物性和传输性质对温度和压力的变化十分敏感，稍微的变动都会导致极其剧烈的变化的发生，此时流体的流动及传热现象也变得非常复杂和无规律。这也使得很有必要对超临界压力下低温LNG（以甲烷为主）在气化器内的对流换热特性进行研究，由此完善IFV气化器的技术，提高其中LNG的换热效率。

图 1.1 超临界状态示意图

1.3 国内外研究现状分析

1.3.1 超临界流体的传热研究

对超临界流体的特殊性质的研究在工业上具有的应用价值可以体现在萃取和各大能源工业中。如，超临界CO₂作为目前应用最广泛的超临界流体，因为其在不同压力条件下不同的溶解度，可作为萃取剂，在中草药等提取分离时对不同成分具有广阔的选择性；超临界水可在核电站废料处理中发挥作用，利用催化超临界水氧化技术处理核电站废阴离子交换树脂；超临界航空燃料（煤油、甲烷等）可为高超声速飞行器的冷却问题提供解决思路，不仅能为超燃冲压发动机为发动机的主动冷却再生系服务，也可作为发动机使用的燃料，具有低成本低污染等诸多优点。国内外对于超临界流体的研究已经很深入，包括超临界CO₂、H₂0、航空煤油、LNG等都是研究的热点。

王亚洲等[5]做了超临界压力下低温甲烷的湍流传热数值研究，在甲烷的热力学和传输物性已经被确定的前提下，采用数值模拟计算方法，湍流模型采用SST k-ω模型，对两种给定热流密度、超临界压力下甲烷的湍流传热现象进行研究，总结了对流换热Nusselt数的变化规律，为发动机主动再生冷却技术提供了传热分析的基础。