一种基于流固耦合的LNG地下储罐的分析方法与系统与流程

本发明涉及地下储罐，具体为一种基于流固耦合的lng地下储罐的分析方法与系统。

背景技术：

1、液化天然气(lng)是由天然气在常压下冷却至-162℃时制取的以甲烷为主的液烃混合物。一般是在常压下将天然气冷冻到约-162℃使其变为液体，体积约为同量天然气体积的1/600，密度约为450kg/m3。lng无色，无味，无毒且无腐蚀性，泄露后直接蒸发。由于液化天然气的体积约为其气体(20℃,101.325kpa)体积约1/600，故有利于输送和储存，随着液化天然气运输船及储罐制造技术的进步，液化天然气几乎是目前跨越海洋运输天然气的主要方法。无论是天然气液化工厂，还是lng接收终端，lng储罐的投资均占有较高的比重，尤其是在lng接收终端中，储罐的投资约占其总投资的30～40％，可见lng储罐是整个lng产业链中的一个非常重要组成部分。

2、目前，限于经济、技术等方面的条件约束，我国对于lng地下储罐的技术及发展尚为欠缺；相对于地上储罐，从受力性能来说，其稳固性和安全性对防止储罐沉降、倾斜、失稳而引起次生灾害的发生至关重要，而lng地下储罐更具优势，lng地下储罐具有更好的抗震性和安全性，受到空中物体碰撞的可能性小，受风荷载的影响小，泄漏的影响小等特点，lng地下储罐是我国能源储备的方向，需要进行相关技术的攻关和储备。

3、掌握lng地下储罐与周围土体的热流固耦合作用机理，对于突破lng地下储罐相关技术来是必要前提。理清地下罐体结构与土体的受力与变形机理，温度场的分布情况，冷量的传递路径，对充分利用地下储罐优点、设计更合理结构形式、优化施工工艺等能起到重要的指导作用。解决lng地下储罐与周围土体热流固耦合问题有两个基本方法，一个数值仿真，另一个是模型试验。大型的有限元软件如ansys、abaqus、comsol等都能够进行地下结构的热流固耦合三维模拟，但是数值计算基本都包含了一些理想化的假定条件，缺乏试验数据的验证，更缺乏实际工程数据的验证。为此需要设计合理的lng地下储罐模型试验装置，通过试验模型去真实的模拟lng地下储罐与周围土层的热流固耦合作用；去理清超低温的lng冷源将引起储罐周围土体冻结的范围、冻结的速率等等规律；去探究冷源加载下单罐、双罐以及群罐的相互作用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于流固耦合的lng地下储罐的分析方法与系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于流固耦合的lng地下储罐的分析方法，包括以下步骤：

3、步骤s1，参数测量，测量记录需要建设地下储罐的地址处的数据；

4、步骤s2，搭建试验模型平台，根据测量的参数在基于流固耦合的lng地下储罐的试验系统中添加需要的试验土体；

5、步骤s3，营造渗流条件，根据测量的参数的需要，调整循环水泵的流量、控制左、右舱室的液位差，待液位稳定，形成稳定的与测量的实地流速一样的流速条件时，防渗试验土箱内即可形成需要的地下水渗流条件；

6、步骤s4，冷源加载，先在试验模型平台的冷源加载系统的低温恒温槽加入冷媒介质，开机预冷低温恒温槽内反应罐中的冷媒，待冷媒达到预设温度后，开启低温恒温槽的外循环泵，使冷媒介质流入lng储罐缩尺模型，根据试验需求的试验罐内液位可以加减冷媒的用量；

7、步骤s5，监测试验数据，布置监测传感器，可以根据试验的需要适当调整传感器的数量和分布，打开数据采集与可视化操控系统，进行试验数据的观测与读取，待达到试验要求的冻结时间或者其他终止条件时，终止试验，保存数据；

8、步骤s6，根据试验结果，指导地下储罐的设计，优化施工工艺。

9、优选的，在步骤s1中，测量的数据包括环境温度、土体渗流流速、土体介质类别。

10、优选的，在步骤s4中，冷源加载系统中的冷媒介质常用根据试验需要的环境温度选择，冷媒可根据试验需要参照常用冷冻介质特性表进行配比，10℃以上用水；-30℃～10℃用乙二醇；-80℃～-30℃用99％乙醇；-120℃～-80℃用甲醇∶乙醇＝1∶1。

11、一种基于流固耦合的lng地下储罐的试验系统，用于实现上述地下储罐的分析方法，所述试验系统包括防渗试验土箱、lng储罐缩尺模型、冷源加载系统、循环补给渗流系统、光纤测温与测应变系统、高清摄像位移监测系统、土压力监测系统、试验环境监测系统、数据采集与可视化操控系统与封闭式隔热保温系统组成；所述防渗试验土箱包括由高性能的钢化玻璃制成的内箱，所述内箱的上端设置有角钢条焊接的外框，所述内箱内部通过高防水防渗透的结构粘胶固定有两块打孔钢隔板，所述打孔钢隔板将内箱分成三个腔室，从左至右依次为左舱室、主舱室和右舱室；所述左舱室与右舱室内部填充有圆砾卵石，所述主舱室内的四周设置柔性多孔隔板并在主舱室内部填充试验土体，所述试验土体内部埋设lng储罐缩尺模型；所述lng储罐缩尺模型以现在主流结构设置两种，分别为立式圆筒形储罐和卧式圆筒形储罐，所述lng储罐缩尺模型的罐壁外周贴设有压力薄膜传感器，所述lng储罐缩尺模型的顶部设有冷媒进口阀与冷媒出口阀，所述冷媒进口阀的进液管短靠近储罐内部的顶端，冷媒出口阀的出液管长靠近储罐内部的底端；所述防渗试验土箱的外部设置保温隔热底板与保温隔板环绕密闭，所述保温隔板的一侧面上设置有开合门；所述保温隔板内壁上安装有空调内机，所述空调内机连接空调外机，所述空调外机安装在保温隔板外侧。

12、优选的，所述冷源加载系统由低温恒温槽与冷媒传输管组成，所述低温恒温槽设置在保温隔板内部，所述低温恒温槽的输出端连接带有保温隔热套管的冷媒传输管，所述冷媒传输管的另一端接入lng储罐缩尺模型中。

13、优选的，所述循环补给渗流系统由左舱室、右舱室、循环水泵与输水管共同构成，所述左舱室与右舱室的侧面均设置有刻度线，所述左舱室的上端设置有进水口，所述右舱室的上端设置有抽水出口，所述进水口与抽水出口相对设置，进水口接入输水管，抽水出口同样接入一段输水管，两段输水管中间通过循环水泵连接，接入抽水出口端的输水管设置在右舱室的底部并且安装有过滤头。

14、优选的，所述光纤测温与测应变系统由裸光纤、传力串珠、固定弹性细管以及外接的光纤解调仪构成，所述裸光纤绕lng储罐缩尺模型分布，另外还设置裸光纤通过固定弹性细管布设在lng储罐缩尺模型周围的试验土体内。

15、优选的，所述高清摄像位移监测系统包括有高清摄像头、光源以及配套的软件系统构成。

16、优选的，所述土压力监测系统由土压力计以及孔隙水压力计、配套的数据采集仪以及软件系统构成，所述土压力计以及孔隙水压力计固定在塑料网架上，所述塑料网架设置在所述防渗试验土箱的主舱室内lng储罐缩尺模型的周围。

17、优选的，所述试验环境监测系统包括由温度、湿度、有害气体监测传感器及烟雾报警器组成。

18、优选的，所述数据采集与可视化操控系统，将光纤解调仪、土压力、孔隙水压力数据采集仪、薄膜压力传感器解调仪及数据采软件相应的软硬件集中到控制台。

19、优选的，所述封闭式隔热保温系统包括两大部分，一是防渗试验箱体上的保温罩组成的内保温，所述保温罩设置在所述防渗试验土箱的外框外围固定在所述内箱顶面，二是由保温隔板、保温隔热底板以及空调内机、空调外机组成的外保温。

20、与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过基于流固耦合的lng地下储罐的试验系统模拟建设地下储罐的环境，依靠冷源加载系统可以实现-80℃到100℃的大范围温度加载，模拟常规地下储罐外罐壁正常运营及天然气泄露时的各类工况，依靠循环补给渗流系统，可以营造不同渗流速度的地下水渗流环境，通过数据采集与可视化操控系统测得lng冻土生成的范围、渗流对土体冻结范围、速率等等影响规律，通过试验系统掌握地下储罐罐体结构与土体的受力与变形机理，温度场的分布情况，冷量的传递路径，充分利用地下储罐优点、设计更合理结构形式、优化施工工艺。