随着化工工业的快速发展,气体燃料作为新型的化工燃料和能源,具有清洁、控制性强和便于运输等特点,广泛运用于日常生活和工业生产中。由于气体燃料本身具有易燃易爆炸的性质,所以在日常和工业生产,运输和使用过程中一旦泄漏,液化可燃气体会迅速气化形成大量爆炸性混合气体,发生火灾爆炸事故。由于气体燃料储罐灾害事故时有发生,所以研究储罐在热环境下的热响应行为对预防灾害事故的发生和减少事故后果具有重要的指导意义。多年来,国内外研究人员对对储罐的热响应行为进行了大量的实验研究和数值模拟。总结了储罐热响应行为的原理和规律,现有研究表明储罐热响应行为中,热分层的产生可以降低储罐内部介质的能量,从而降低储罐失效发生的风险。但是由于实验过程的复杂性和危险性,还有数值模拟过程中的不确定性,所以对于储罐热响应行为中的热分成形成和消除机理以及影响因素的研究尚未达成一致的结论,仍然是学术界的研究热点。鉴于此,本文展开了以下研究工作:(1)以实验储罐为研究对象,建立合理热环境下储罐热响应行为的物理模型和数学模型。采用二维非稳态计算和基于压力的分离式算法对控制方程进行求解,选取RNG k-ε湍流模型和VOF两相流模型进行数值模拟,使用自定义函数UDF来控制气液相变过程。(2)用Fluent软件对热环境下的储罐热响应行为进行模拟计算,验证计算模型的有效性,分析了介质温度响应,壁面温度响应和压力响应过程。改变加热区域、充装率、外部热环境、介质初温和壁面参数进行计算模拟,分析这些工况条件的改变对储罐热响应行为中热分层的产生和消除的影响。数值模拟结果表明:加热区域越大,储罐内部介质温度响应越强,压力上升速率越大,热分层维持时间越长;充装率越小,液相热分层度越高,热分层维持时间越长,压力上升速率越大,储罐壁面温度分层度越高且高温区域面积扩大;体积生热率越大,储罐内部介质温度响应和压力上升速率越高,沸腾扰流作用越强,温度突跃时间更短;介质初温越高,热分层程度越低,分层消除时间越短;储罐壁面越厚,储罐内部介质温度响应和压力上升速率越低,壁面导热系数越高,热响应行为更强,但是壁面温度更低。加热区域越大,体积生热率越大,介质初温越高,储罐越容易失效。合理的充装率和壁面参数可以有效抑制储罐失效。本文创新点:采用体积热源的加热方式,研究各工况对热分层过程影响,研究热分层形成和消失的机理,并根据各工况条件对热分层的影响提出防止储罐失效的建议措施。