液化石油气(LPG)具有热值较高、清洁、方便储存和运输的特性,在人们的生活和社会生产活动中应用越来越广泛。然而,尽管在储运和使用中都采取了严格的防护措施,LPG泄漏引发的火灾和爆炸事故仍然屡见不鲜,尤其是临港石化基地,储存着大量的液化石油气等石油化工产品,一旦发生火灾、爆炸事故,将会对社会造成极其恶劣的影响。国内外专家学者进行了许多实验、模拟来研究液化气体储罐在火灾环境下的热响应行为,发现除了采取隔热设施和安全阀外,储罐热响应过程中的热分层现象能有效抑制储罐的失效以及发生沸腾液体膨胀蒸汽爆炸(BLEVE)的风险。所以,研究LPG储罐在火灾环境下的热响应行为,对于预防和控制火灾爆炸事故的发生,改进消防设计,保证设备安全和提高生产效率具有重要的理论价值和指导意义。本文主要进行了以下几个方面的研究工作:(1)对于火灾环境下LPG储罐的热响应行为,提出合理假设,构建数值模型。对火灾环境下临港石化基地LPG储罐的热响应传热机制进行理论分析;确定基本守恒方程,根据模型特点选择合适的湍流流动模型、固壁传热模型、两相流模型以及沸腾相变传热模型,并选择合理的求解方法。(2)根据模型的特点,使用前处理软件ICEM构建储罐的计算模型,进行合理的网格划分,根据已有实验设置模拟的边界条件和初始条件,使用FLUENT软件进行仿真模拟,将模拟的结果与实验数据进行对比以验证模拟计算的有效性。(3)分析模拟计算的结果,通过储罐内部的压力响应、壁面温度响应和介质温度的响应情况,对储罐内部介质的流动方式、热分层产生与消除的机理、热分层的维持时间和壁面温度的传热规律等行为进行研究。(4)基于上述的数值模拟,改变初始条件,将填充介质设置为丙烷,将火焰辐射温度设置为真实火灾环境下的火焰温度,采用控制变量法改变液相的充装率、储罐壁面厚度、外部火焰温度和对流换热系数这些工况条件进行模拟计算,研究这些因素的变化对LPG储罐热响应过程的影响。模拟结果显示:随着充装率的降低,液相区厚度减小,气相区厚度增加,储罐内部的压力增速加快,内部介质发生的热分层度更高,热分层的维持时间更久,但气相区的扩大也使得壁面的高温区域扩大,罐体的稳定性降低,所以过高和过低的充装率都不能降低储罐失效的风险;储罐壁面厚度的增加相当于增加了壁面的导热热阻,延缓了储罐壁面的升温速度,进而降低了储罐内部压力和介质温度的上升速率,同时,壁厚增加还增大了储罐失效的爆破压力值,罐体的稳定性得到提升,储罐失效的风险进一步降低;外部火焰温度的升高会使得罐体的压力增速加快,介质温度的变化更加明显,不利于热分层的维持,储罐更易失效破裂;对流换热系数的降低使得罐体表面单位时间内的散热量减少,储罐内部压力增速加快,介质和罐体表面温度的增速也加快,不利于罐体的稳定,储罐失效破裂的风险增大。合理的选择充装率、科学的设计储罐壁面厚度和采取科学的措施及时降低外部火焰温度,对于减小储罐失效的风险有积极意义。本文的创新点:在研究热响应影响因素时,将储罐内部的充装介质设置为丙烷,相应改变储罐内部的初始压力,并且根据实际火灾情况,设置合理的火焰辐射温度,更加符合真实火灾环境;结合临港石化基地常年风速较大的特点,以不同风速下的对流换热系数表征不同风速下储罐的散热率,进而分析这一因素的变化对于储罐热响应行为的影响,更加符合具体环境情况。在下一步的研究中,可以建立更为复杂的模型,研究风速对储罐热响应行为的综合各项因素的耦合作用。