Численное исследование нестационарного тепломассообмена в криогенном резервуаре долговременного хранения с подвижной границей раздела фаз

Abstract

This article deals with numerical methods for studying the process of unsteady heat and mass transfer in a tank during long-term storage of cryogenic liquids. Along with the absence of a universal turbulence model to date, the author notes the prospects of using the Reynolds-averaged method RANS and the semi-empirical turbulence models used to close the system of equations, due to the acceptable requirements for computing resources. This paper presents the model for calculating thermophysical properties of cryogenic products, taking into account the movement of the phase boundary liquid-vapor inside the vessel. In addition, the author compared two-parameter semiempirical turbulence models applied to the solution of the problem in terms of a)the duration of the calculation, b)the requirements for computing resources, and c)the accuracy of the results. Based on experimental data on the parameters of the temperature field in the vapor space of the reservoir with liquefied natural gas, the author verified the proposed model for each of the analyzed turbulence models. Based on the simulation results, he concludes that it is possible and expedient to carry out a numerical study (instead of an expensive experimental one) for calculating the thermophysical parameters for long-term storage, including the assessment of the value of the movement of the phase boundary.

В статье рассмотрены численные методы исследования процесса нестационарного тепломассообмена в резервуаре при длительном хранении криогенных жидкостей. В связи с отсутствием на сегодняшний день универсальной модели турбулентности отмечена перспективность использования метода осреднения по Рейнольдсу и применяемых для замыкания системы уравнений полуэмпирических моделей турбулентности благодаря приемлемым требованиям к вычислительным ресурсам. Представлена компьютерная модель для расчета теплофизических параметров криопродукта, учитывающая перемещение границы раздела фаз «жидкость – пар» внутри сосуда. Проведено сравнение двухпараметрических полуэмпирических моделей турбулентности применительно к решению поставленной задачи с точки зрения длительности расчета, требований к вычислительным ресурсам и точности полученных результатов. На основе экспериментальных данных о параметрах температурного поля в паровом пространстве резервуара со сжиженным природным газом проведена верификация разработанной компьютерной модели для каждой из проанализированных моделей турбулентности. На основании результатов моделирования сделан вывод о возможности и целесообразности проведения численного исследования (вместо дорогостоящего экспериментального) для расчета теплофизических параметров при долговременном хранении, в том числе для расчета оценки величины перемещения границы раздела фаз.