(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210800002.3 (22)申请日 2022.07.08 (71)申请人 中国市政工程 华北设计 研究总院有 限公司 地址 300074 天津市河西区气象台路9 9号 (72)发明人 高文学　户英杰　严荣松　王艳　 苗庆伟　杨林　杨明畅　 (74)专利代理 机构 天津市北洋 有限责任专利代 理事务所 12 201 专利代理师 李素兰 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/10(2020.01) G06Q 50/06(2012.01) G06T 17/20(2006.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种液化天然气空温式气化器的性能评价 方法 (57)摘要 本发明公开了一种液化天然气空温式气化 器的性能评价方法， 包括以下步骤： 步骤一、 对某 一实际在运行的在用LN G空温式气化器进行现场 测试， 在有限元分析软件中进行流 ‑热耦合计算 模拟仿真， 通过对比测试结果对模型进行修正； 步骤二、 在有限元分析软件中进行验证用空温式 气化器的流 ‑热‑固整体耦 合计算， 并添加子模型 模块进行优化， 进行验证测试和系数修正； 步骤 三、 对待评价LNG空温式气化器进行设计工作条 件和在某 地区待投入运行使用工作条件下的流 ‑ 热‑固整体耦合计算， 根据输出的结果对气化器 进行性能评价； 使用本方法既能同时对LNG空温 式气化器的气化性能和疲劳寿命性能进行评价， 又具有高效的实际可操作性和经济性。 权利要求书5页 说明书12页 附图8页 CN 115292986 A 2022.11.04 CN 115292986 A 1.一种液化天然气空温式气化器的性能评价方法， 其特 征在于包括以下步骤： 步骤一、 对某一实际在运行的在用LNG空温式气化器进行现场测试和参数确定， 在有限 元分析软件中建立该在用LNG空温式气化器的流 ‑热耦合计算方法， 然后对所述的在用LNG 空温式气化器进 行模拟仿 真和模型修正， 输出在用LNG空温 式气化器优化后的流 ‑热耦合条 件设置， 具体过程如下： S10： 对在用LNG空温式气化器进行现场测试的过程为： 以所述的在用LNG空温式气化器 为目标， 以LNG为气化介质对在用LNG空温式气化器进行实际运行测试， 得到在用LNG空温 式 气化器的翅片管温度场分布和气化器气化性能， 所述的翅片管温度场分布为最外层各个翅 片管的外壁温度Tpn,fin， 所述的气化器气化性能包括气化器出口处的气化介质出口温度 Tp,out、 气化介质出口压力Pp,out、 气化介质出口流速vp,out以及气化器在运行时的实际气化量 Qout； S11： 获取在用LNG空温式气化器参数， 包括在用空温式气化器在几何建模过程中所需 要的尺寸参数、 在有限元分析软件的仿 真平台中设置气化器材料属性所需的空温式气化器 材料参数、 在有限元分析软件的数值模拟分析平台中设置气化介质材料属性所需的气化介 质物性参数以及设置边界条件所需的气化器运行环境 参数和运行工作参数； S20： 使用三维几何建模软件根据在用空温式气化器的结构参数以1:1的等比例建立在 用空温式气化器的整体几何模型， 然后通过有限元网格划分软件将整体几何模型进行网格 划分， 并将计算 域分为气化介质流体域、 气化器固体域和空气流体域 三部分； 所述的气化介质流体域为气化介质在气化器 内部通道流动区域； 所述的气化器 固体域 为气化器本体； 所述的空气流体域为包裹在气化器本体外部的一个虚拟六面体内的空气流 动区域， 所述的虚拟六面体的顶部、 底部和 侧面距离气化器的最近距离 至少为0.5米； S21： 通过有限元分析软件进行流 ‑热耦合模拟计算， 得到在用空温式气化器本体的温 度分布， 具体过程 为： S210： 通过有限元分析 软件中的仿真平台添加流体分析模块和热分析模块； S211： 将进行网格划分后的在用空温式气化器的整体几何模型导入流体分析模块中， 且计算域采用所述的气化介质流体域、 气化器固体域和空气流体域； 在所述气化介质流体 域与气化器固体域之间， 以及空气流体域与气化器固体域之间分别采用热连接面进行数据 传递， 实现热通量和温度的守恒传递； 在所述流体分析模块中选择多相流模型、 湍流模型、 沸腾相变模型、 连续性方程、 动量方程和能量方程， 近壁面处理采用标准壁面函数法； 所述 的多相流模型采用Mixture模型， 湍流模型采用Realizable  k‑ε湍流模型， 沸腾相变模型采 用蒸发冷凝Le e模型； S212： 对流体分析模块进行边界条件设置： 气化介质流体域出口设置为压力出口边界， 压力的大小采用运行工作参数中的气化介质出口压力； 气化介质流体域进口设置为速度进 口边界， 速度和温度的大小采用运行工作参数中的气化介质进口流速、 气化介质进口温度； 空气流体域顶部和空气流体域顶部侧面设置为压力进口边界， 压力和温度的大小采用运行 环境参数中的大气 压力、 环境温度， 空气流体域底部 设置为绝热壁面； 气化介质流体域的流 体材料设置为LNG， 材料参数采用现有的LNG的物性参数数据； 空气流体域的流体材料设置 为空气， 材 料参数采用仿真软件中的材 料数据库中的数据； S213： 通过流体分析模块对在用空温式气化器进行流体换热仿真分析， 获得在用空温权　利　要　求　书 1/5 页 2 CN 115292986 A 2式气化器固体域的内壁面上的温度分布和压力分布数据以及在用空温式气化器固体域的 外壁面上的温度分布数据； 输出在用空温式气化器的气化介质出口温度Tout和气化介质出 口流速vout； S214： 将流体分析模块中的整体几何模型传递到热分析模块中， 在热分析模块中输入 在用空温 式气化器的材料参数， 所述的材料参数采用步骤S11 中的气化器材料参数， 计算域 采用所述的气化器固体域； 然后将通过流体分析模块模拟计算得到空温式气化器固体域的 内壁面上 的温度分布数据和空温式气化器固体域的外壁面的温度分布数据传递到热分析 模块之中， 作为热分析模块的边界条件， 通过热分析模块对在用空温式气化器本体进行热 仿真分析获得气化器本体的温度分布数据； 将热分析模块输出的计算结果数据导入CFD结 果可视化软件中， 然后输出在用空温式气化器本体温度分布云图； S30： 验证流 ‑热耦合计算结果的准确性， 修改相关模型， 具体过程 为： 将步骤S213计算输出的气化介质出口温度Tout与步骤S10运行测试得到的气化介质出 口温度Tp,out进行对比计算 得到第一误差值δ1， 计算公式为δ1＝|Tout‑Tp,out|/Tp,out*100％； 并 通过CFD结果可视化软件在在用空温式气化器本体温度分布云图中选取和步骤S10中翅片 管温度场相同的点位， 确定各点位的温度Tn,fin， 然后和步骤S10翅片管温度场测试的结果 Tpn,fin进行对比计算得到第二误差值δ2， 计算公式为δ2＝|ΣTn,fin‑ΣTpn,fin|/ΣTpn,fin* 100％， 公式中ΣTpn,fin对步骤S10翅片管温度场测试的结果中气化器最外层的各个翅片管 外壁中间部位的温度进行求和， ΣTn,fin对温度分布云图中选取和步骤S10 中翅片管温度场 相同的点位后得到的各点位的温度大小进行求和； 如果第一误差值δ1或者第二误差值δ2超 过5％， 则对步骤S211中的流体分析模块中的Mixture模型、 Realizable  k‑ε湍流模型、 蒸发 冷凝Lee模型进行修改， 直到模型修改后的模拟计算输出的第一误差值δ1和第二误差 值δ2均 ≤5％， 然后将优化后的流体分析模块中的Mixture模型、 Realizable  k‑ε湍流模型、 蒸发冷 凝Lee模型作为优化后的流 ‑热耦合条件设置用于下一 步骤的流 ‑热‑固整体耦合计算； 步骤二、 在有限元分析软件中采用步骤一中修正后的流 ‑热耦合条件设置， 建立验证用 空温式气化器的流 ‑热‑固耦合计算方法， 然后进行流 ‑热‑固整体耦合计算， 并添加子模型 模块进行优化和验证测试， 求解得到在用空温式气化器的最终应力集中区的应力值大小， 具体过程如下： S40： 确定验证用空温式气化器的材料参数， 所述验证用空温式气化器的材料应与待评 价空温式气化器材 料相同； S41： 获取验证用空温式气化器的材 料的应力 ‑寿命曲线； 对验证用空温式气化器的材料取样， 然后进行材料拉伸试验和疲劳试验拟合出应力S ‑ 寿命N曲线并得到关系式L og(N)＝a+b*L og(S)， 公式 中a、 b为常数项； S50： 按照步骤S20的方法， 对验证用空温式气化器进行几何建模、 网格划分和计算域确 定； S51： 通过有限元分析软件进行流 ‑热‑固耦合模拟计算， 得到验证用空温式气化器本体 的温度分布和应力分布云图， 具体过程 为： S511： 采用验证用空温式气化器模型代替在用空温式气化器模型并运行步骤S210， 将 S30中优化后的流 ‑热耦合条件替代步骤S211的流 ‑热耦合条件， 并将气化介质流体域的流 体材料设置为液氮， 材料参数采用现有液氮的物性参数数据， 然后运行步骤S211 ‑S214， 得权　利　要　求　书 2/5 页 3 CN 115292986 A 3