LNG船舶预冷过程中冷却液的CFD模拟

计算流体力学在船舶模拟中的应用在现代化的船舶设计与建造中，计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）成为船舶设计与模拟中不可或缺的技术手段。

有些人对CFD并不陌生，但是，对从事CFD已久的人们来说，CFD技术的发展速度如此之快，以至于需要不断更新和学习新技术才能在竞争激烈的市场中保持一席之地。

接下来，本文将从以下几个方面探讨CFD在船舶模拟中的应用，包括CFD技术在船舶建模、CFD技术在船舶水动力学问题的数值模拟、CFD技术在船舶结构和材料设计中的应用以及CFD技术在船舶操纵和稳性问题的数值模拟。

1. CFD技术在船舶建模中的应用船舶CFD建模是CFD技术在船舶模拟中必不可少的一环。

CFD建模按照其精度和模型分别划分为几个等级，主要包括：物理模型、数学模型、计算模型和网格模型。

建立船舶CFD数值模型时，需要根据船体几何实体，采用三维有限体积法、有限元法等数学方法建立数学模型，同时需要考虑不同长度尺度下模型的精度与实际需求的匹配。

然后，使用CFD数值计算软件对船舶流场进行计算，同时改进计算精度，过程中还需注意模板设置、计算区域选择、边界条件和孔径参数等问题。

最终，通过CFD计算结果与实验测量结果进行验证，检验模型的可靠性。

2. CFD技术在船舶水动力学问题中的数值模拟CFD技术在船舶水动力学问题的数值模拟中起着举足轻重的作用。

船舶运动的水动力学问题主要包括船体运动、液面质心、倾覆、气泡噪声、抗风性能和垂直阻力等问题。

在进行船舶水动力学的数值模拟时，需要考虑悠长波、波浪、自由面等自然界的复杂问题，并用数学模型把这些因素考虑进来。

通过CFD技术，完成对流场、压力场、涡量等重要参数的计算，预测和优化船体流态和水力特性。

3. CFD技术在船舶结构和材料设计中的应用CFD技术在船舶结构和材料设计方面的应用，主要集中在模拟船体结构在极端环境下的受力情况，例如瞬时载荷和碰撞等。

LNG管道非满液预冷过程应力和变形模拟许俊;陈灵;汪冬冬【期刊名称】《煤气与热力》【年(卷),期】2024(44)1【摘要】为探究LNG管道液位相对高度对管道应力和变形的影响,针对某段水平液化天然气管道液体预冷过程,建立了LNG管道温度场和结构场耦合数值计算模型,利用ANSYS软件分析非满液状态下不同液位相对高度对管道温度、应力和变形分布的影响。

模拟结果表明,液位相对高度直接影响管道整体温度场分布,液位相对高度越高,管道下表面面积越大,上表面面积越小。

管道上下表面平均温度最大温差随液位相对高度升高呈现先增大后减小的趋势,液位相对高度40%时管道上下表面平均温度最大温差为45.79℃,最大局部温差达66.06℃,局部温差变化趋势与平均温度最大温差相同。

不同液位相对高度下最大应力峰值出现在液位相对高度60%时,为305.19 MPa,应力峰值均出现在管道两端内壁底部。

随液位相对高度升高,应力峰值先迅速增大而后缓慢减小。

随液位相对高度增加,管道不同位置处径向变形量均先增加后减小。

最大径向变形量出现在液位相对高度40%时,最大径向变形量为68.753 mm。

最大总变形量随液位相对高度变化曲线与管道上下表面平均温度最大温差随液位相对高度曲线趋势相似。

液位相对高度10%与90%工况的管道上下表面平均温度最大温差十分接近,液位相对高度20%与70%工况、液位相对高度30%与60%工况亦然。

不同液位相对高度下LNG对管道所施加的温度载荷具有相似性,温度载荷是影响管道变形的主要原因。

建议LNG管道预冷时进一步减小管道液位相对高度,适当延长预冷时间,以减小应力荷载带来的管道变形。

【总页数】7页(PV0025)【作者】许俊;陈灵;汪冬冬【作者单位】合肥合燃华润燃气有限公司;安徽工业大学能源与环境学院【正文语种】中文【中图分类】E821【相关文献】1.LNG船舶预冷过程中冷却液的CFD模拟2.LNG低温管道预冷过程数值模拟3.LNG低温管道预冷工艺数值模拟4.LNG低温管道预冷及热应力分析5.LNG接收站管道预冷温度——应力模型因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

船舶设计中的流体力学模拟分析随着科技的不断发展，船舶设计已经从以往的经验式设计走向了计算机辅助设计。

其中，流体力学模拟分析成为了船舶设计中不可或缺的一部分。

流体力学模拟分析可以帮助船厂在设计船舶时，预测水流对船体的作用，并确定船体的性能、优化船体的流场和减少船体的阻力。

流体力学模拟分析分为两种方法：CFD和CFM。

CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）是一种基于数值计算的流体力学模拟方法，可以求解流体力学方程。

CFD可以模拟水流对船体的作用，比如船体的阻力、波浪对船体的扰动、水动力、稳性和操纵特性等。

CFD可以通过对不同的船体设计进行模拟分析，寻找最优的船体设计，从而降低船体的阻力，提高航速和燃油效率。

CFM（Computational Fluid Mechanics，计算流体力学）是一种利用计算机模拟流体的能量、质量和动量传递的技术。

CFM可以对流体的流动进行数值计算，以预测流体流动的变化和特性。

CFM通常适用于曲率较小且流动较为复杂的情况，如水下螺旋桨。

在船舶设计中，流体力学模拟分析可以帮助船厂设计更节能的船舶。

通过对不同的船体设计进行CFD分析，可以预测船舶的耗油量和速度，从而寻找最优化设计，使船体的阻力最小。

通过CFM分析，可以更好地理解螺旋桨的流场特性，进而通过设计具有更高效率的螺旋桨来提高船舶的性能和燃油效率。

除了船体设计和水下螺旋桨的分析外，流体力学模拟分析在船舶安全中也起着重要的作用。

在船舶设计中，CFD可以帮助设计师确定船体的稳性和操纵特性，以确保船体的安全性。

在船舶性能测试中，CFD可以预测船体在不同海况下的性能和耐风性能，从而提高船体的安全性。

总之，在船舶设计中，流体力学模拟分析已经成为了不可或缺的一部分。

通过CFD和CFM分析，可以优化船体设计、提高船体的性能和安全性。

未来，随着科技的不断发展，流体力学模拟分析将在船舶设计中的作用越来越大。

2016年第35卷第2期CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS ·383·化工进展LNG卸料管线预冷过程数值模拟朱校春（中海油福建漳州天然气有限责任公司，福建漳州 363122）摘要：国内对液化天然气（LNG）接收站初次预冷速度的控制经验相对缺乏。

因此，为防止低温LNG预冷导致的管道的损坏，需在预冷前对设定的预冷操作程序进行预冷效果的分析校核。

本文提出了基于计算流体力学（CFD）的LNG管道预冷分析方法。

通过建立三维LNG卸料管道数值计算模型，根据国内某LNG接收站项目设计管道预冷操作程序，进行冷却过程的动态模拟计算，结果显示按预设冷却程序操作，LNG卸料管道降温速度可以维持在10℃/h范围内，满足预冷安全要求。

另模拟计算结果与实际接收站预冷过程的现场测量数据进行了对比，CFD计算值与实测值比较相对误差可控制在7%以内，证明CFD预冷过程模拟完全可以用于接收站预冷程序合理性的判断和校核计算。

关键词：LNG卸料管道; 预冷方案; 数值模拟中图分类号：TE 821 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）02–0383–06DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.007Numerical simulation of LNG unloading pipeline pre-cooling processZHU Xiaochun（Zhangzhou LNG Project Team of CNOOC Gas & Power Group，Zhangzhou 363122，Fujian，China）Abstract：Domestic LNG receiving terminal lack of cooling speed control experience. In order to prevent damage caused by cryogenic LNG suddenly flowing into unloading pipeline，verification of the effect of the pre-cooling operation procedure must be carried out before pre-cooling operation. A computational fluid dynamics (CFD) based analysis method is proposed in this paper. A 3D CFD model is built based on a domestic LNG receiving terminal project pre-cooling procedure，and dynamic simulation is carried out for checking the pre-cooling process. The cooling rate of LNG unloading pipe can be maintained within 10℃/h，and meet the pre-cooling safety requirement. The CFD calculation results are compared with actual measurements on site. The accuracy of numerical simulation for pre-cooling could be within 7% of test data. which proves that CFD calculation method can be used in confirming the rationality of LNG receiving terminal's pre-cooling procedure and checking calculation.Key words：LNG unloading pipeline; pre-cooling program; numerical simulation近年来，国内煤炭作为主要能源供应所带来的环境问题日趋严重，城市大气污染加重且为人们所关注。

LNG船单液舱预冷传热特性分析与优化邓佳佳;许健;卢金树;高军凯;吴文锋【摘要】为确保LNG船舶液舱预冷操作阶段安全性,识别预冷过程风险,对预冷过程进行传热特性分析并提出优化方案.基于计算流体力学技术,对LNG船单液舱预冷过程进行数值模拟.模拟得到的液舱主保冷层平均温度模拟结果与实验数据吻合较好.模拟结果表明:舱内介质温度在预冷开始后2.2h左右冷却到110 K,在这段时间内气相密度从0.70 kg/m3逐渐增加到1.89 kg/m3;舱内压力在预冷初期下降约120 Pa,在开始预冷约1.6h后恢复至初始压力,然后逐渐上升,由于薄膜型液舱无法承受负压,因此需要密切关注;舱内介质与主保冷层之间换热呈现先增加后逐渐减小的趋势,舱内介质与主保冷层之间热传递过程经历了对流传热和热传导为主的两个阶段;主保冷层温度变化呈现快速降温阶段、稳定降温阶段和慢速降温阶段3个阶段;次保冷层温度在整个预冷过程中持续下降.为了保证LNG船舶操作安全和节省制冷剂,需要密切关注并采取适当的措施避免预冷初期出现负压,随着舱内介质与主保冷层换热量越来越小,适当减少制冷剂的喷入量,这样大约可以节约LNG 26.3％.【期刊名称】《煤气与热力》【年(卷),期】2018(038)011【总页数】7页(P后插25-后插31)【关键词】LNG船;液舱预冷;数值模拟;CFD;温度场;风险识别【作者】邓佳佳;许健;卢金树;高军凯;吴文锋【作者单位】浙江海洋大学港航与交通运输工程学院,浙江舟山316022;浙江海洋大学港航与交通运输工程学院,浙江舟山316022;浙江海洋大学港航与交通运输工程学院,浙江舟山316022;浙江海洋大学港航与交通运输工程学院,浙江舟山316022;浙江海洋大学港航与交通运输工程学院,浙江舟山316022【正文语种】中文【中图分类】U674.11 概述随着我国大气排放标准日益严格，天然气作为一种高效、清洁能源，其需求量逐年上升。

LNG船推进系统建模与仿真研究随着全球能源结构的调整和清洁能源的兴起，液化天然气（LNG）作为一种高效的清洁能源，越来越受到人们的。

LNG船作为运输LNG的关键工具，其推进系统性能的优劣直接影响到船舶的能耗、排放和安全性。

因此，对LNG船推进系统进行建模与仿真研究，对于优化船舶设计、提高船舶性能具有重要意义。

在国内外学者的研究中，LNG船推进系统的建模与仿真已经取得了一定的成果。

然而，由于LNG船的特殊性质和复杂工况，现有的研究仍存在一定的不足。

大部分研究集中在船舶总体性能的研究上，而对推进系统的详细建模和性能优化不够。

现有的模型主要集中在传统船型，对LNG船这种特殊船型的适用性有待进一步验证。

针对现有研究的不足，本研究将开展以下工作：建立LNG船推进系统的详细模型，包括船体、推进器、LNG存储罐等部件，充分考虑各部件的相互作用和影响；设计适用于LNG船推进系统的仿真算法，包括流体动力学算法、热力学算法等，以实现对船舶实际工况的准确模拟；利用所建立的模型和设计的算法进行仿真实验，对船舶在不同工况下的性能进行详细分析，优化推进系统的设计。

通过以上研究，本研究将为LNG船推进系统的优化设计提供理论依据和实践指导，有助于降低船舶能耗、提高航行效率、增强船舶安全性。

结论本研究通过对LNG船推进系统建模与仿真研究的深入探讨，建立了详细的船舶模型和适用于LNG船的仿真算法。

通过仿真实验，本研究对船舶在不同工况下的性能进行了详细分析，验证了所建模型的准确性和算法的有效性。

本研究的结论对于优化LNG船推进系统的设计具有重要的指导意义，有助于提高船舶性能、降低能耗和增强船舶安全性。

展望尽管本研究已经在LNG船推进系统建模与仿真方面取得了一定的成果，但仍有许多问题需要进一步研究和探讨。

未来的研究方向包括：完善和扩展LNG船推进系统的模型，包括更加详细的动力学模型和更为复杂的流固耦合模型，以实现对船舶实际工况的更准确模拟；设计和开发更为高效的仿真算法，以提高计算速度和准确性，使得更大规模和更复杂的仿真实验成为可能；将人工智能和机器学习等先进技术应用到建模与仿真过程中，实现对船舶性能的自动优化和智能控制；将本研究的结果应用于实际船舶的设计和改造中，以检验模型的准确性和算法的有效性，推动理论与实践的结合。

船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计船舶水动力性能是研究船舶在水中运动的重要领域之一。

为了提高船舶的航行速度、操纵性和能效，工程师们利用计算流体力学（CFD）模拟技术开展了大量的研究与优化设计工作。

本文将介绍船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计方法，并探讨其在船舶工程领域中的应用。

1. 模型构建船舶的水动力性能主要包括波浪阻力、湍流阻力、粘性阻力和激波阻力等。

在进行CFD模拟前，首先需要构建船舶的几何模型。

根据不同的船舶类型和设计需求，可以选择不同的建模方法，如传统的离散几何模型或参数化设计模型。

通过建模软件，将船舶的几何形状转化为计算机可识别的几何信息，为后续的模拟分析做准备。

2. 网格划分在进行CFD模拟时，网格划分是非常重要的步骤。

网格的划分质量将直接影响模拟结果的准确性和计算效率。

通常情况下，船舶的复杂几何形状需要采用结构化或非结构化网格划分方法。

结构化网格适用于简单几何形状，而非结构化网格则适用于复杂几何形状。

通过优化网格划分，可以更准确地模拟和预测船舶在水中的运动行为。

3. 流场模拟在进行CFD模拟时，需要建立适当的物理模型和数值模型。

根据船舶运动的特性，可以选择合适的流体方程和边界条件。

在求解过程中，采用合适的数值方法和稳定性算法，以保证模拟结果的准确性和稳定性。

通过CFD模拟可以获取船舶在不同操作条件和流场环境下的运动特性，如阻力、流线和压力分布等。

4. 优化设计基于CFD模拟结果，可以进行船舶水动力性能的优化设计。

通过调整船体形状、推进系统和尾流控制等参数，可以改善船舶的流线型和水动力性能。

优化设计的目标往往是降低阻力、提高速度和操纵性，以及减少燃油消耗和排放。

通过多次CFD模拟和参数优化，可以找到最优设计方案，从而提高船舶的性能和效益。

5. 应用实例船舶水动力性能的CFD模拟与优化设计已经在实际工程中得到广泛应用。

例如，在船舶船型设计阶段，工程师们利用CFD模拟技术对不同船型进行了性能比较和优化设计；在推进系统设计阶段，CFD模拟可以帮助确定最佳螺旋桨参数和布局方案；在船舶舵系统设计阶段，CFD模拟可以预测船舶的转向性能和操纵稳定性。

船舶设计中的计算流体力学模拟研究近年来，随着计算机技术的迅猛发展和CFD（Computational Fluid Dynamics计算流体力学）技术的日益成熟，船舶设计中的CFD模拟研究变得越来越重要。

因为这可以帮助设计者更好地理解船舶的流体动力学特征，从而优化船体形状和推进器设备，以提高船舶的性能和安全性。

本文将介绍船舶设计中的CFD模拟研究的基本概念、方法和应用。

一、基本概念CFD技术是通过数值方法模拟流体运动和相互作用来研究流体动力学的科学和技术领域。

在船舶设计中，CFD模拟通常用于研究水动力和气动力性能，包括流阻力、气动阻力、推力效率、操纵性能、稳性和抗风浪能力等。

CFD模拟可以让设计者更好地预测船舶的性能，并且可以避免昂贵的物理试验和实验室测试。

二、CFD模拟方法在船舶设计中，CFD模拟通常包括以下步骤：1.建模建模是CFD模拟的第一步。

船舶的形状和结构可以通过计算机辅助设计软件（如CAD软件）进行建模，然后将其导入CFD 软件中进行模拟。

2.网格生成网格生成是CFD模拟的第二步。

通过数值方法将建模后的船舶形状离散化成一个个小的控制体积单元（如三角形、四面体等），并将这些单元组成三维网格。

这个过程决定了CFD模拟的准确性和效率。

3.流体物理参数设定在进行CFD模拟前，需要设定模拟的流体物理参数，如流体密度、黏度、温度、湍流模型等。

这些参数对于模拟结果的准确性和可靠性有着决定性的影响，不可轻视。

4.求解在设定好流体物理参数后，需要运用CFD软件对流体力学和相互作用进行模拟求解。

CFD软件采用数值方法求解Navier-Stokes方程组或二维/三维欧拉方程组，从而得出模拟结果。

5.后处理CFD模拟的最后一步是对求解结果进行后处理和分析，包括流线图、力学分析、流量流向分析、压力分布等，以评估船舶的性能和特点。

这些结果可以为设计者提供有价值的信息。

三、应用案例1.流体力学性能研究通过CFD模拟，可以研究船舶的流体力学性能，如水阻力、气动阻力、推力效率等。

LNG船舶预冷过程中冷却液的CFD模拟作者：王忠诚,李品友,金国平来源：《上海海事大学学报》2010年第04期摘要：为提高液化天然气（Liquefied Natural Gas, LNG）船舶的管理水平和营运效率，对预冷过程中的冷却液用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）软件进行模拟.该方法首先对LNG船舶液货舱的构造和换热环境进行假设，然后用GAMBIT对液货舱进行网格划分，模拟出温度图、冷却液质点迹线图和速度矢量图.对某LNG船舶液货舱预冷过程的调研表明，该方法所做的CFD模拟与实船的预冷过程和操作规章相符，预冷速度和预冷时间相差很小，能够真实反映实船预冷过程的实际情况.关键词：LNG船舶；预冷；冷却液； Fluent中图分类号：U674.13.3; TB64; O35文献标志码：ACFD simulation for coolant of LNG carrier in pre-cooling processWANG Zhongcheng, LI Pinyou, JIN Guoping(Merchant Marine College, Shanghai Maritime Univ., Shanghai 201306, China)Abstract：To improve the management and operational efficiency of Liquefied Natural Gas (LNG)carrier, the coolant in the process of pre-cooling is simulated by the soft ware of Computational FluidDynamics (CFD). The method makes an assumption on the structure and heat exchange condition of liquid cargo tanks of LNG carrier first, and then uses GAMBIT to mesh the structure of the tank so as to simulate the temperature graph, the coolant particle traces graph and velocity vector diagram. The survey on the pre-cooling process of one LNG tank shows that the CFD simulation made by this method conforms with the real pre-cooling process of the carrier and operating rules, and differences of pre-cooling rate and pre-cooling time are very small. In general, the research can reflect the situations of the real carrier pre-cooling process.Key words：liquefied natural gas carrier; pre-cooling; coolant; Fluent0 引言随着社会的发展和进步，人与自然的和谐相处越来越受到重视.但是，工业化和城市化进程的加快，使燃料消耗更为迅速，而燃料燃烧必将产生灰尘，SO2，和CO2等污染物，这些污染物的大量排放会给社会环境带来危害.如何在这一相互矛盾的进程中寻求新的平衡是一个棘手问题，在新能源还没有成熟之前，“清洁能源”——天然气将在社会中扮演非常重要的角色.由于天然气分布格局不同，地理位置相对集中，常常需要把天然气从一个区域运输到另一个区域.在整个天然气的产销链中，运输过程成为必不可少的环节.从传统的竹木管运输发展到今天高附加值的液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)船舶运输，技术日新月异.［1］1 天然气的船舶运输随着科学技术的发展，压缩天然气技术逐渐成熟，使得运输压缩天然气的船舶成为天然气短距离海上运输的最佳工具.从气田输送天然气到生产基地并液化，通过LNG船舶运送到进口国的LNG基地工厂，贮存在-162 ℃的贮槽中，然后经过阶梯升温成气态，再经过基地工厂处理后被送至各个用户.统计表明：当运输距离超过1 600 km时，海上运输LNG有很高的经济性，因此LNG船舶发展很快.［2］图1为我国自主建造的首艘LNG船舶——大鹏昊.图1 LNG运输船舶——大鹏昊由于造船业的不断发展，LNG船舶的制造也已取得长足进步，大型化和专业化是最近几年发展的方向.目前世界上最大的LNG船舶由韩国现代重工公司制造，运载量可达216 000 m3.据皇家荷兰壳牌石油公司介绍，到2020年全球对LNG船舶的需求将增加3倍以上.可见，LNG船舶的市场前景非常美好.在天然气的生命周期中，作为其主要运输工具的LNG船舶扮演着十分重要的角色.图2为天然气的产销链.从图2可知，在天然气产销链中，LNG的低温贮运是主要环节.在低温贮运这一环节中，LNG船舶的预冷极为重要［3］，它不仅关系到LNG船舶的经济性，更关系到LNG船舶和人的生命财产安全.因此，对LNG船舶预冷的研究，尤其是对货舱预冷过程的模拟研究意义重大.通过模拟可以清晰地看到预冷过程中液货舱内的细微变化，掌握预冷规律.这对日后LNG船舶的管理，提高LNG船舶在营运过程中的效率，以及科技创新都具有重要的理论和现实指导意义.1.气田；2.贮存设备；3.运输线；4.LNG船；5.接收终端；6.分配系统；7.发电图2 天然气的产销链2 预冷过程中的热平衡计算在对LNG液货舱进行预冷的过程中，供入的冷却液是-162 ℃的LNG，因此当冷却液喷入液货舱空间时，首先要汽化吸热(吸收液货舱内部的热量)，汽化后的天然气通过气穹排放到岸上回收站，再经液化装置处理后可重复使用.在舱内气体的压力未达到压力释放阀启阀压力之前，舱内气体的质量不发生变化，这个过程是刚性容器的定质量、升温升压的过程；当舱内气体压力达到压力释放阀的启阀压力时，气体从出口流出，舱内气体经历刚性容器的变质量过程.液货舱预冷过程示意图见图3.图3 LNG液货舱预冷过程示意图2.1 外界传递给货舱的热量热传递的方式共有3种：传导、对流和辐射.LNG船舶运输工程中，液货舱在接收太阳辐射传热的同时也接收来自环境和海水的传导传热.［4］假设：为水线以上的面积；为水线以下两侧海水的面积；为双层底内燃油管道的面积；为双层底压载水舱的面积；为液货舱前后的侧面积；为当地环境温度；为海水温度；为燃油温度；VB为预冷终了温度；为货舱结构导热热阻；为空气导热热阻；为海水导热热阻；为燃油导热热阻.由热力学知识可知，外界传给货舱总的热量为（1）式中：为空气传递给液货舱的热量，Q1=T1-TS1;Q2为海水传递给液货舱的热量，Q2=T2-TS2;Q3为燃油管道传递给液货舱的热量，Q3=T3-T为压载水传递给液态货物的热量，Q4=T2-T为液货舱前后侧面积传递给液货舱的热量，Q5=T1-T整理得-T-T-T-T（2）液货舱热力学能的变化LNG船舶是在大气环境温度下建造的，将整个液货舱冷却到-162 ℃需要消耗巨大的冷能.为研究方便，下面将动态的预冷过程宏观化.假设：为液货舱壁的质量；为舱壁材料的比热容；为绝热木箱的质量；为绝热木箱材料的比热容；为INVAR膜的质量；为INVAR膜材料的比热容；为液货舱内混合气的质量；为空气的比热容.由热力学知识可得热力学能变化为（3）式中：为液货舱壁的内能变化，-为两层绝热木箱的热力学能变化，-VB)；为两层INVAR膜的热力学能变化，-为预冷开始到结束时液货舱内气体热力学能的变化，-VB).整理得-T-T-T-T（4）热平衡方程不同种类气体的混合过程是非平衡过程.达到平衡态后，混合气体的终态参数可以根据热力学第一定律和理想气体状态方程确定.于是，取液货舱为控制容积系统，由能量守恒定律［5］和参考文献［6］可得（5）式中：为0，out为LNG进、出液货舱时产生的冷能-T（6）式中：in为喷入的LNG中液态天然气的比率；为单位时间内喷入液货舱内的天然气质量；为单位质量LNG在沸点VB=-162 ℃时的汽化潜热；为天然气的比热容.将式（2），（4）和（6）代入式（5）中，由于与相比，，r3和的数值都非常小，且液货舱几乎绝热，用主成分分析法，可略去和；同理略去和整理得-S1+S2+S4r1T-T-T-T-T-T（7）式中：VB=-162 ℃，为单位质量LNG在沸点VB=-162 ℃时的汽化潜热；为天然气的比热容；预冷开始时；为单位时间内喷入液货舱内的天然气质量.由质量流量与体积流量的关系以及流量相等原理，同时根据船级社的规定［7-8］，将某薄膜型母船的实船数据代入式（7）中得冷却液的速度的建模和求解由于LNG船舶液货舱构造和换热的复杂性，其预冷过程十分复杂.［9-10］为此，作如下假设：（1）液货舱外面的环境温度为25 ℃，且不随时间和地点的变化而变化；（2）墙壁材料为金属；（3）坐标原点位于液货舱的中心，冷却液进口位于轴正半平面，回气口位于轴正平面；（4）送风口速度18.52 m/s，温度-162 ℃；（5）出口绝热层导热系数0.02 W/(m•K)；对流换热系数20 W/(m2•K).3.1 对液货舱进行网格划分用GAMBIT对液货舱进行网格划分，见图4.图4 液货舱网格划分3.2 迭代过程及结果打开迭代计算设置对话框，点击Iterate后，Fluent开始计算.经过409次迭代后，计算收敛.迭代过程截图见图5.图5 迭代过程截图3.3 液货舱的温度分布模拟模拟出的液货舱温度分布图见图6和7.从图中可以看出：在液货舱中间位置温度较低，由中间向外温度逐渐升高；在四周拐角处温度较高；在液货舱上部，接近拐角处温度最高，这是因为液货舱在预冷过程中，冷却液以一定的速度喷入液货舱中，冷却液到达底部吸热后，再回流到上部空间；在横向方向上的温度比纵向方向上的稍高，这是因为横向的长度比纵向的长；在液货舱冷却液进口处温度最低.图6 液货舱四周外壁温度分布图和截面的空间温度分布3.4 喷入液货舱的冷却液速度矢量模拟模拟出的冷却液速度矢量图见图8和9.从图中可以看出：在液货舱中间位置（）空间，冷却液的速度最大；当到达底部内壁时，由于受到阻挡，冷却液向四周扩散；当再次碰到前后左右舱壁时冷却液方向再次改变；沿着舱壁到达顶部后，由于舱壁的阻挡作用，冷却液方向再次发生改变；最后冷却液从圆形的出口处流出.当冷却液受到舱壁阻挡方向改变时，一部分冷却液会向液货舱内部空间流动，这样可以使液货舱空间冷却均匀.另外，轴方向上冷却液的密度较大，这是因为轴方向上的距离较轴上的小，单位体积内冷却液密度大；轴方向上距离较长，单位体积内冷却液较少，但阻力损失小.这些影响对液货舱预冷过程都是微不足道的.图截面冷却液的速度矢量图图和截面冷却液的速度矢量图3.5 喷入液货舱的冷却液质点迹线模拟模拟出的冷却液质点迹线见图10~13.从图中可以看出：当冷却液进入液货舱内部空间后，在液货舱前后左右两侧的下部空间形成涡流，冷却更充分，在液货舱的上部空间没有涡流形成；从质点迹线分布情况看，冷却液分布均匀，冷却效果较好，但在液货舱的上部周围空间稍差，尤其是纵向方向上，这是因为纵向上的距离大.图10 液货舱内壁冷却液迹线图截面冷却液迹线图和截面冷却液迹线图截面冷却液迹线4 结论我国现有的LNG船舶大多是薄膜型的(其液货舱结构见图3，形状为八面体).由模拟结果可以清晰地看到，预冷过程中只有少量冷却液到达液货舱壁的拐角处，甚至在拐角处可能出现死区，液货舱的上部空间尤为明显，所以预冷过程中拐角处的温度较高，不能与液货舱空间同时降温.当监测温度设备显示预冷温度达到装货要求时，液货舱拐角处的温度还没有达到预冷所要求的温度.由于装入的货物是-162 ℃的LNG，当与LNG拐角处接触时，将产生较大的热应力.为减小端面处直角结构所产生的热应力，可以将液货舱端面与侧面连接处的直角改为过渡圆角.这样在预冷的过程中，冷却液就能够平滑、顺畅地到达空间各处，使液货舱内部各处同步降温；而且在需要更换货物品种时，容易将残货处理干净，不留死角.通过对某LNG船舶液货舱预冷过程的调研，本文的模拟结果与实船的预冷过程和操作规章相符，预冷速度和预冷时间相差很小，能够真实反映实船预冷过程的实际情况.参考文献：［1］王艳. 世界液化天然气船舶市场研究分析［J］. 中国航海, 2007(2): 61-65.［2］崔益嵩. LNG船液货舱技术及预冷过程热力研究［D］. 上海: 上海海运学院, 2001.［3］李品友. 冷冻式液化气体船液货舱预冷和装货作业［J］. 航海技术, 2005(1): 26-28.［4］于建军. 现代LNG船舶主要液货系统的仿真研究［D］. 大连: 大连海事大学, 2008.［5］陈则韶. 高等工程热力学［M］. 北京: 高等教育出版社, 2008: 18-23.［6］CENGEL Y A, BOLES M A.工程热力学：英文版［M］. 6版. 何雅玲, 编. 北京: 电子工业出版社, 2009: 146-159, 400-406.［7］中国船级社. 薄膜型液化天然气运输船检验指南［M］. 北京: 人民交通出版社, 2007: 12-18.［8］LR. Rules and regulations for the construction and classification of ships for the carriages of liquefied gases in bulk［M］. London: Lloyd’s Register of Shipping，1995: 85-88.［9］丁仕风, 唐文勇, 张圣坤. 大型液化天然气船温度场及温度应力研究［J］. 船舶工程, 2008, 30(5): 16-19.［10］王志刚, 张于峰, 苗哲生, 等. 主流区风口模型在CFD模拟中的应用［J］. 天津大学学报, 2008, 41(10): 1253-1256.(编辑贾裙平)。

A Numerical Simulation of LNG Low Temperature Pipe Pre-CoolingProcessHong-Zhi ZHANG1, Jun-Man SHU1, Li-Ping DONG1, Guo-Rui ZHANG2,Xuan-Yu SHENG3, a*, Ling CHEN41Daqing OilField Construction Group Co., Ltd. Installment Co.Beijing, China2Dalian University of Technology3Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing, China 4Tianjin Research Institute for Advanced Equipment, Tsinghua University, Tianjin, Chinaa*******************.cn*Corresponding authorKeywords: LNG Low Temperature Pipe, Pre-cooling, Numerical Simulation.Abstract.LNG Low Temperature pipe pre-cooling is difficult point of completion and commissioning of LNG project, under the flow rate of 0.2m/s,0.5m/s and 1m/s, FLUENT software is used to conduct simulation of BOG gas pre-cooling technology for 63010mm Low Temperature pipe to obtain temperature change regularity of pipe during BOG pre-cooling process and real-time display of temperature of Low Temperature pipe during pre-cooling process and to formulate pre-cooling plan of Low Temperature pipe.PrefaceAfter the constructions of LNG cryogenic pipelines are finished, the LNG pipelines should be processed by precooling. Because LNG is a liquefied natural gas (LNG), the operating temperature is -163 degrees. Direct input without precooling will not only cause shrinkage deformation, but also cause bending deformation and thermal stress damage, which is due to the top and bottom surface temperature difference of the low temperature pipes because cooling is too fast .Precooling is the key work to ensure that the LNG project could be put into trial operation successfully. First of all, the cold BOG gas circulate in the pipeline, cooling must be carried out slowly, the pipeline temperature reach to 95~-118, then LNG can be directly delivered. Through the precooling, LNG pipeline temperature drops from room temperature to low degree of working state, which ensures the operation of LNG cryogenic pipelines.Low Temperature Pipeline StructureTake the domestic LNG pipeline as an example, diameter of cut off part for horizontal straight pipe is 63010mm and its length is 5m, this cut off part is the object of study. Pipeline structures are simplified to consist of the steel pipe and cold insulation layer, the BOG are selected as precooling gas, 20mm thick 0Cr18Ni9 are selected as steel pipe, and insulation layer of pipeline is composed of two layers, inner layer is composed of polyisocyanurate foam, which is 100mm thick, outer layer is composed of foam glass, which is 50mm thick, physical parameters are listed in Table 1.Tab.1 Physical parameters of pipeline structureParameters Density(kg/m3)Specificheat(kJ/kgK)Kinematicviscosity(m2/s)ThermalconductivityW/(mK)BOG 0.717 2223 1.43710-50.030Cr18Ni9 7860 460 / 11.8Polyisocyanu-rate Foam80 358.7 / 0.019Foam glass 16 880 / 0.06 Proceedings of the 3rd International Conference on Material Engineering and Application (ICMEA 2016)Model BuildingWhen the BOG gas are injected into pipe, through heat transfer with the pipe wall surface, the BOG gas temperature increases, so the pipeline precooling could be realized. When pipeline is precooled to a certain temperature, cold amount is transferred to the inner insulation layer. Since then, through heat conduction between internal and external insulation layer and heat convection transfer of external insulation layer and the atmosphere environment, the external insulation layer temperature of pipeline gradually reduced. The actual precooling process of the low temperature pipe is more complex. Therefore, for the convenience of the study, the model needs to be simplified:(1) Neglecting the axial heat conduction of the pipe wall, only considering the radial heat conduction;(2) Neglecting the thermal contact resistance between the outer wall of the pipe and the cooling layer;(3)Thermal conductivity and other physical properties of heat pipe wall and cold insulation materials will not change with temperature.On the basis of the above simplified assumptions, the model satisfies the continuity equations, momentum equations and energy equations, the formulations are shown in equation (1) ~ (5), and the heat conduction differential equation of the insulation layer is shown in equation (6): ()0=⋅∇+∂∂U ρτρ (1) ()()()x p S gradu div U u div u u ∂∂-+=+∂∂μρτρ (2) ()()()y p S grad div U div ∂∂-+=+∂∂υυμρυτρυ (3)()()()z p S grad div U div w ∂∂-+=+∂∂ωμρωτρω (4) ()()()T p p S gradT div T U c div T c +=+∂∂λρτρ (5) The heat conduction differential equation satisfying the insulation layer is:()()()h eff S T K h h +∇∇=∇+∂∂ρτρ (6) Numerical Simulation Results and AnalysisInject the 153K BOG gas into pipeline which is 5 meters long at flow rate of 0.2 m/s, precooling the pipeline. Time step is set to 60s, save a set of data every 10 minutes, the total calculation time is 12h, at initial time pipeline and ambient temperature is set to 303k. Fig. 1 shows contours of temperature when pipe is precooled for 10min.Fig.1 Temperature distribution of BOG pipeline for10min precooling When the BOG gas flow into the pipe at 0.2m/s, 0.5m/s and 1m/s respectively, the temperature drop of these three conditions for 12h precooling is simulated, and the temperature drop curve of the pipeline wall is obtained, as shown in Fig.2.Fig.2 Curve of pipe wall temperature along with precooling time at different flow velocities As can be seen from Fig. 2, the overall trend of three different flow rates of BOG pipeline precooling all change rapidly at first and then tends to be flat and has largest velocity of temperature drop within 1 hour precooling, temperature drop curve changes faster within the first 10 hours when the velocity is 0.2 m/s, 10 hours later the temperature drop curve will change slowly; temperature drop curve changes faster within the first 7 hours when the velocity is 0.5m/s, then the change tends to be slow; the temperature drop curve changes faster in the first 5 hours when the velocity is 1m/s, then the change tends to be slow. Mainly because of the low BOG temperature of inlet pipe section, the pipeline temperature differences are large, the convective thermal transfer coefficient is large, so the pipeline temperature drops faster. Therefore, it is necessary first to precooling at minimized velocity and increase velocity slowly.Because in pipe precooling process, the pipe wall temperature decreased gradually, and reaches a certain temperature, the cooling capacity are transfer to pipe inner insulation layer, internal insulation layers temperature is transferred to the outer thermal insulation layer through thermal conduction, this is also because convective thermal transfer between external thermal insulation layer and the atmosphere environment, so the thermal insulation layer temperature will have minor decreasing amplitude, Fig. 3 shows contours of cross-section temperatures under different flow rates for 12h precooling.(a) is at flow rate of 0.2m/s(b) is at flow rate of 0.5m/s(c) is at flow rate of 1m/sFig.3 the cross-section temperatures under different flow rates for 12h precooling.ConclusionsThis paper use FLUENT software to simulate LNG pipeline precooling, calculate and analyze the pipe flow and pipeline temperature distribution of pipe, which is 610mm in diameter and 5 meters long, in precooling process. This paper then compares and analyzes the internal pipe wall temperature variation under different flow rates within 12h of precooling, calculate low temperature pipelines thermal stress and contraction displacement according to the temperature results data. Results show that the temperature drop curves of 0.2 m/s, 0.5m/s and 1m/s change faster at time of10h, 7h and 5h respectively, which provide the references for the precooling of LNG low temperature pipeline.References[1]ChaoLu, Rui Duan, BOG gas precooling process of LNG gas pipeline numerical simulation, The 3rd China LNG Forum.[2]Junwei Yan, Zhaoci Li. LNG cryogenic pipe precooling process numerical simulation, Cryogenics and Superconductivity, No. 9.[3]Hongmei Yu, Zhaoci Li. Study on the precooling process of horizontal pipeline, PipelineTechnology and Equipment, 2009, No. 6.。

分类号密级U D C 单位代码10151 船舶主机冷却水系统的建模与仿真指导教师职称教授学位授予单位大连海事大学申请学位级别硕士学科与专业轮机工程论文完成日期论文答辩日期答辩委员会主席Modeling and Dynamic Simulation of Main Engine CoolingWater SystemA thesis Submitted toDalian Maritime UniversityIn partial fulfillment of the requirements for the degree ofMaster of EngineeringbyMa Liang(Marine Engineering)Thesis Supervisor: Professor Zhang JundongMarch 2007大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重声明：本论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果，撰写成博士/硕士学位论文“船舶主机冷却水系统的建模与仿真”。

除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未公开发表的成果。

本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大连海事大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。

保密□，在年解密后适用本授权书。

本学位论文属于：保密□不保密□(请在以上方框内打“√” )论文作者签名：导师签名：日期：年月日中文摘要学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

LNG船舶气试工艺及方案实施要点摘要：随着经济的快速发展，和对环境保护的要求越来越高，对清洁能源的需求也越来越大，“清洁能源”――天然气将在社会中扮演非常重要的角色。

在天然气的生命周期中，液化天然气（LNG）的低温贮运是其中的主要环节，而作为其主要运输工具的LNG船舶，扮演着十分重要的角色。

因为LNG是极低温贮运，所以LNG船舶的预冷也显得极为重要。

关键词：LNG船舶气试工艺方案实施要点引言随着社会的发展和进步，能源结构的调整，天然气已成为和煤炭及石油相提并论主要能源，并且将成为未来主要能源之一。

当前，人与自然的和谐相处越来越受到重视，在新能源还没有成熟之前，“清洁能源”――天然气将在社会中扮演非常重要的角色。

由于天然气分布格局不同，地理位置相对集中，随着天然气液化技术逐渐成熟，把天然气从一个区域运输到另一个区域已经普遍。

我国2012年上半年天然气表观消费量721亿立方米，增长15.9%，在天然气消费量较大幅度增长的情况下，我国天然气的产量增长幅度则比较有限，因此需要加大进口天然气量。

所以LNG船舶的预冷极为重要，它不仅关系到LNG船舶的经济性，更关系到LNG船舶和人的生命财产安全，因此，对研究LNG船舶冷却的注意点及处理方式意义重大。

1.LNG 船舶及气试作业基本流程1.1LNG 船舶结构LNG 船舶货舱有独立液舱型(MOSS 型和 SPB型)和薄膜型两大类，目前新建造的 LNG 船均是薄膜型。

以薄膜型 LNG 运输船为例，该型船由 4 个独立的液货舱组成，相邻液货舱之间由平面舱壁构成舱室。

该船型的储槽被安装在船壳内，LNG和储槽的载荷直接传递到船壳上，结构见图 1。

图 1 薄膜型 LNG 船结构1.2 LNG 船气试基本流程LNG 船抵港前，LNG 接收站需完成快速脱缆钩、图 1 薄膜型 LNG 船结构登船梯、卸料臂、船岸通信、ESD 测试等相关准备工作，然后方可让 LNG 船靠泊进行气试作业。

LNG动力船冷能和余热发电系统的模拟优化胡选哲;孙文哲;顾骁勇;侯龙;冯梦娇【摘要】提出利用有机朗肯循环系统来回收液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)动力船上的LNG冷能和烟气余热的发电系统.以4 800 kW的双燃料拖船为研究对象,利用ASPEN PLUS流程模拟软件对该系统进行模拟,并对循环工质和热交换器端部温差进行优化分析.模拟分析结果表明:在相同膨胀机入口温度下,热交换器端部温差为90℃时,乙烷工质系统在膨胀机入口的压力为15 MPa时有最优的发电功率值;双机系统最大发电功率达157 kW,完全可以通过减少一个150 kW的主柴油机发电机组来产生巨大的经济效益和环境效益.【期刊名称】《中国航海》【年(卷),期】2016(039)002【总页数】5页(P19-23)【关键词】船舶工程;液化天然气动力船;冷能;ASPEN PLUS;发电功率;(火用)效率【作者】胡选哲;孙文哲;顾骁勇;侯龙;冯梦娇【作者单位】上海海事大学商船学院,上海 201306;上海海事大学商船学院,上海201306;上海海事大学商船学院,上海 201306;上海海事大学商船学院,上海201306;上海海事大学商船学院,上海 201306【正文语种】中文【中图分类】U665.1;U674.92Abstract: The proposed power generation system uses exhaust heat andthe recycle cold energy from Organic Rankine’s cycle on Liquefied Natural Gas(LNG) powered vessels. The 4 800 kW dual fuel tugboat is chosen as an example object of study. Simulation of this system uses ASPEN PLUS process simulation software. The optimization analysis of circulating medium and end temperature difference of the heat exchanger is done. The data of simulation and analysis show that when the inlet pressure is 15 MPa and the end temperature difference of the heat exchanger is 90 ℃ the ethane’s cycle reaches an optimal power. The maximum generation power can reach 157 kW so that the 150 kW main diesel generator set on the tugboat can be replaced, bringing enormous economic and environmental profits.Key words: ship engineering; LNG powered vessel； cold energy； ASPEN PLUS； power； exergy efficiency为有效控制船舶对海洋的污染，国际海事组织(International Maritime Organization，IMO)已出台相应规定，要求重质燃料油的平均含硫质量分数从目前的4.5%降到2020年的0.5%，轻质燃料油的平均含硫质量分数降到0.1%；此外，柴油机的NOx排放标准也越来越高，而柴油作为船舶燃料很难达到这些要求。