ＩＳＳＮ １００２—４９５６ 实验技术与管理 第３４卷第１期２０１７年１月 订 丽而 Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ＶｏＬ ３４ Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１７ ＤＯＩ：１０．１６７９１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｊｇ．２０１７．０１．０２９ 基于ＡＮＳＹＳ的ＬＮＧ储罐稳态蒸发率仿真实验 管 官 ，林 焰 ，杨 蕖 ，周 帅 （１．大连理工大学船舶ＣＡＤ工程中心，辽宁大连１１６０２４； ２．大连理工大学工程装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连 １１６０２４） 摘要：将ＬＮＧ储罐稳态蒸发率研究内容引入实验教学，开发了基于ＡＮＳＹＳ的ＬＮＧ储罐稳态蒸发率仿真 实验。利用ＡＮＳＹＳ进行仿真实验，可获得ＬＮＧ储罐稳态温度场分布以及不同环境温度、不同保温层厚度、 不同保温层导热系数下的稳态漏热量及蒸发率，便于学生理解ＬＮＧ蒸发规律。通过该教学和科研相结合的 仿真实验，提高了教学效果，有利于提高学生的仿真能力，培养学生运用实验手段解决科研问题的能力。 关键词：ＬＮＧ储罐；稳态蒸发率；仿真实验；ＡＮＳＹＳ 中图分类号：Ｕ６７７．２；Ｇ６４２．４２３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２－４９５６（２０１７）１－０１２９—０３ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ＬＮＧ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ Ｇｕａｎ Ｇｕａｎ ，Ｌｉｎ Ｙａｎ ，Ｙａｎｇ Ｑｕ ，Ｚｈｏｕ Ｓｈｕａｉ （１．Ｓｈｉｐ ＣＡＤ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２４，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ １１６０２４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ＬＮＧ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｔｅａｃｈｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｆ ＬＮＧ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ｉｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ＡＮＳＹＳ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ＬＮＧ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｈｅａｔ ｌｏｓｓ ａｎｄ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｅａｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ， ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｍｏｔｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ｏｆ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｌａｗ ｏｆ ＬＮＧ．Ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｃａｎ ｂｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅａｃｈｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｅａｃｈｉｎｇ ａｎｄ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ．Ｉｔ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｓｔｕｄｅｎｔｓ’ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｕｌｔｉｖａｔｉｎｇ ｔｈｅｉｒ ａｂｉｌｉｔｙ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｂｙ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＬＮＧ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ；ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ ｒａｔｅ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ；ＡＮＳＹＳ 科研带动教学是研究型大学教学改革的重要内容 之一，具有教学方法和教学内容上的创新性Ｌ１ ］。在教 学改革中，将科研课题融人实验教学，使学生接触到工 程实践，有助于提升学生的学习积极性、培养学生的科 易燃、易爆的危险化学品。随着ＬＮＧ船舶数量的增 加，ＬＮＧ运输安全问题备受关注。为保证船舶ＬＮＧ 储罐的安全使用，其绝热性至关重要，而蒸发率是评价 ＬＮＧ储罐绝热性的重要指标。因此，关于ＬＮＧ蒸发 率的研究，无论对于工程应用，还是科研、教学，都具有 重要的意义＿４ Ｊ。 学素养、提高学生的工程能力和创新能力［３］。 液化天然气（１ｉｑｕｅｆｉｅｄ ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ，ＬＮＧ）是一种 收稿日期：２０１６—０８—２７ 为培养学生的科研能力与创新能力，将ＬＮＧ储 罐稳态蒸发率研究的内容引入实验教学，设计了基于 基金项目：国家自然科学基金项目（５１６０９０３６）资助；中国博士后科学基 金资助项目（２０１４Ｍ５６１２３４，２０１５Ｔ８０２５６）；辽宁省博士启动 基金项目（２０１５０１１７６）；高校基本科研业务费专项 （ＤＵＴ１６ＲＣ（４）２６）资金资助 作者简介：管官（１９８３一），男（满族），辽宁丹东，博士，讲师，主要从事船 ＡＮＳＹＳ的ＬＮＧ储罐稳态蒸发率仿真实验，为学生创 建了一个接触科研前沿、应用专业知识的平台。该科 研与实践相结合的实验教学模式提高了教学质量，有 利于培养学生的工程能力和创新能力［－３，６－８］。 舶与海洋工程专业相关教学与科研工作． Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕａｎｇｕａｎ＠ｄｌｕｔ．ｅｄｕ．ｃａ 实验技 术 ‘ 管 ｌ 实验模型 基于ＡＮＳＹＳ的ＬＮＧ储罐稳态蒸发率仿真实验 对象，是大连理工大学船舶制造国家工程中心研制的 １．５ ｍ Ｃ型ＬＮＧ储罐及保温层（已授权发明专 利） 川，对其稳态蒸发进行仿真。表１为１．５ ｍ Ｉ ＮＧ储罐的结构参数；图１为该储罐的有限元模型， 使用ＡＮＳＹＳ软件建模，网格尺寸为５０ ｍｍ。 表１ １．５ｍ ＬＮＧ储罐的结构参数 结构 存储方式 参数 全冷式 结构 货罐总容积 参数 １．５０ ｍ 图２温度场有限元模型 简体形式 封头形式 直径 简体长度 椭圆封头深度单圆筒 标准椭圆形 １．０ ｍ １．５８ ｍ ０．２５ ｍ 设计温度 货罐材料 绝缘层材料 一ｌ６４℃ ９Ｎｉ钢 硬质聚氨酯泡沫 设计蒸气压力 １．２ Ｍｐａ 图３ ＩＪＮＧ储罐温度场 其中ｈｅａｔ为漏热量，单位为ｋＪ；ＢＯＲ为日蒸发率； ｄｅｎｓ为ＬＮＧ的密度，取５００ ｋｇ／ｍ ；ｌａｍｔａ为蒸发潜 热，取５ｌ１ ｋＪ／ｋｇ；Ｖ为ＬＮＧ的体积，取１．５ ｍ 。 由ＡＮＳＹＳ计算出：在稳态情况下，模型因为热传 导及热对流所产生的总漏热量为１３６．４３ ｋＪ，进而可以 图１ １．５ ｍ Ｉ ＮＧ储罐有限元模型 求得日蒸发率为３．０７６ 。 由于ＬＮＧ储罐的材质不同，热传导系数也不同， 因而储罐各个部位的漏热量不同。在建模中建立了保 温层和硬木两种材质，图４为不同材料、不同位置的漏 热量。 ２温度场分析 采用三维模型进行温度场分析。由于该模型的对 称性，故使用１／８模型计算其温度场。保温层温度场 有限元模型如图２所示。液态ＬＮＧ的温度取一１６３ ℃，环境温度取最高温度４５℃，边界条件为外壁与空 气产生热对流、内壁与储罐内ＬＮＧ产生热对流，保温 层的热传导系数为０．０２３、硬木的热传导系数为０．１８。 热分析单元采用Ｓｏｌｉｄ９０，即２Ｏ节点六面体单元。 使用ＡＰＤＬ语言编写用于ＡＮＳＹＳ中的温度场 分析计算程序，利用ＡＮＳＹＳ中的传热学计算原理进 行分析，得到的温度场如图３所示。 可见，从ＬＮＧ储罐的保温层的外壁到内壁温度 场的数值从２℃到一１６３℃发生变化。 稳态蒸发的计算，需假设蒸发的情况不随时间变 化而发生改变，利用经验公式… 可获得稳态蒸发率： ＢＯＲ一 ㈩ 图４ ＬＮＧ储罐不同位置的漏热量 可见，由于硬木导热系数较大，所以在硬木处的漏 竹 】’ｒ＿ ：Ｊ点Ｊ’ＡＮＳＹＳ ｎ０ Ｉ Ｎ（Ｊ 也怠燕发 仍 验 热翳也会相应的增大。由于其导热系数差了一个数镀 级，所以产生的漏热 也差了一个数艟级，从中可以看 出漏热量随导热系数增大而增大。 ３实验结果与分析 ３．１ 环境温度影响 埘１．５ １＂２１ Ｉ Ｎ（ 储罐在不同环境温度下的蒸发进 行仿真，得到保温层厚度为０．３ ｒｎ、保温层导热系数为 ０．０２３时不同环境温度的漏热 及蒸发率（见表２），其 中环境温度１５ 时的温度场云图如ｌ皋ｌ ５所示。 表２保温层厚度０．３ ｍ、导热系数为０．Ｉ）２３时不同环境 温度的漏热量及蒸发率 环境温度／ｏ（ 漏热量／ｋＪ 蒸发率／ ４５ １１．９７８ ２．１ ６１ ３ｏ ｌ３．５ｌ１ ２．４３５ １ ５ ｏ２４ ２．７０９ １６．５４６ ２．９８４ 】８．ｏ６９ ３．２５９ ｌＩｊ．５９２ ３．５３３ ２１．１１ｔｌ ３．８０８ 图５ Ｉ ５１（’温度场云图 町见。随着环境温度的升高，漏热ｆｌ｛＝增加，Ｉ （ 储 罐的蒸发率升高，蒸发率随环境温度的升高呈线性增 加。这是由于环境温度的增加会使Ｉ．ＮＧ储罐保温层 两侧的温差变大． 此单位时问内漏热量会增多。 Ｉ Ｎ（ 蒸发得越快，储罐内部压力就越大，Ｉ ＮＧ安企储 存时ｆｎ】也越短。 ３．２保温层厚度影响 埘不同保温层厚度的１．５ ｒｎ’Ｉ．ＮＣ－储罐进行 Ｉ Ｎ（；焦发率仿真。没环境温度为５℃，保温层导热系 数为０．０２３，漏热量及蒸发率如表３所示，其中保温层 厚度为０．３ １３３＿时温度场云图如图６所示。 表３环境温度５℃、保温层导热系数为０．１１２３时不同保温 层厚度的漏热量及蒸发率 图６ ｌ１．３ｍ保温层厚度温度场云图 可见，随着绝缘层厚度的增加，漏热量会变少，储 罐巾Ｉ ＮＧ的蒸发率也会逐渐降低。所以在设计ＬＮＧ 储罐时，存合理的范围内尽最增加绝缘层的厚度，这样 能有效减少Ｉ ＮＧ的蒸发。 ３．３保温层导热系数影响 对１．５ｍ Ｉ ＮＧ储罐在不同保温层导热系数下 Ｉ ＮＧ的蒸发进行仿真．得到环境温度为５℃。保温层 厚度为０．３ ｒｎ时，不同保温层导热系数下的漏热量及 蒸发率（殳『ｌ表４所永），其中保温层导热系数０．０２３时 的温度场 如图７所示。 表４ 环境温度５￣Ｃ、保温层厚度０．３ ｍ时不同保温层导热 系数的漏热量及蒸发率 图７ 保温层导热系数为０．０２３时温度场云图 （下转第１ Ｉ２页） １４２ 实验技术与管理 代教育装备，２０１４（２１）：２７—２９． ４ 结语 互联网系统支持２Ｄ、３Ｄ仿真软件，用户在使用过 程中还可以自行为仿真软件配置操作手册、操作录像、 授课录像、相关知识点等资源。系统可在ｗｅｂ服务器 上通过安装包一键安装部署，支持ＩＥ７／８／９、Ｆｉｒｅｆｏｘ、 Ｃｈｒｏｍｅ浏览器访问。通过仿真软件模拟生产现场的 环境、设备，模拟工艺流程、ＤＣＳ系统、单人及班组模 式下的开停车操作，丰富了教学、培训手段，提高了教 学质量和学习效率，且不易发生事故。该系统属于轻 量级Ｅ－ｌｅａｒｎｉｎｇ系统，能在更大的时间范围、更广的地 点，为更多的用户提供培训，为学生学习带来了极大的 方便。 ［２］胡今鸿，李鸿飞，黄涛．高校虚拟仿真实验教学资源开放共享机制探 究［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１５，３４（２）：１４０—１４４． ［３］周世杰，吉家成，王华．虚拟仿真实验教学中心建设与实践ＥＪ］．计算 机教育，２０１５（９）：５－１１． ［４］张增明，王中平，张宪锋，等．国家级物理虚拟仿真实验教学中心的 建设实践［Ｊ］．实验技术与管理，２０１５，３２（１２）：１４６—１４９． ［５］刘新海，马彦恒，马晓琳．虚拟仿真在信息化教学中的应用与研究 ［Ｊ］．高师理科学刊，２０１５（１１）：９０． ［６］唐向阳，马骁飞，郭翠梨，等．建设高水平“化学化工虚拟仿真实验教 学中心”的思路与探索口］．高等理科教育，２０１５（６）：１０２—１０６． ［７］林凌敏．区域教育集群下虚拟仿真实验教学建设的探索［Ｊ］．实验技 术与管理，２０１６，３３（ｚ）：１８２—１８５． ［８］李国屏，李珂．应用型本科院校网络安全虚拟仿真实验资源共享研 究口］．萍乡学院学报，２０１６（３）：９３—９７． ［９］张敬南，张 钟．实验教学中虚拟仿真技术应用的研究［Ｊ］．实验技 术与管理，２０１３，３０（１２）：１０１—１０４． 互联网虚拟仿真教学培训系统建立有统一管理的 仿真学习资源中心，实现了优质仿真资源的集中管理， 建立了仿真实验教学资源多样化、高效利用仿真实验 资源和逼真的仿真实训环境，在时间和空间上实现了 资源共享。系统在提供专业技能教学实训的同时，也 ＥｌＯ］李平，毛昌杰，徐进．开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设提高 高校实验教学信息化水平口］．实验室研究与探索，２０１３，３２（１１）： ５－８． ［１１］杜玉宝，孙淑强，亓文涛．虚拟仿真实验教学信息化平台的建设与 思考［Ｊ］．中国现代教育装备，２０１６（１７）：２６—２８． －１１２］林徐润，段虎．虚拟仿真技术在高职实训教学中的应用［Ｊ］．深圳 信息职业技术学院学报，２０１２，ｌＯ（２）：２１—２５． －１１３］宋小春，陆载涵，鄢烈祥．基于Ｗｅｂ的化工原理虚拟仿真实验系统 为特色专业的建设提供了技术服务。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） Ｅ１］祖强．国家级虚拟仿真实验教学中心评审指标体系解读ＥＪ］．中国现 －１Ｊ］．计算机工程与设计，２００４（８）：１２６７—１２６８． （上接第１３１页） 选择ｌ－Ｊ］．中国高教研究，２００７，２７（４）：４９～５１． 可见，随着保温层导热系数以倍数增加，漏热量和 蒸发率几乎也以倍数增加。这是由于保温层导热系数 Ｅ２］张德高．科研教学结合为人才培养提供强力支撵Ｉ－Ｊ］．中国高等教 育，２０１３，３３（１７）：４４—４５，５４． ［３］吴再生，吴有训．大学教育思想及其在清华的实践：以高水平科学研 究支撑的高质量大学教育［Ｊ］．清华大学教育研究，２０１３，３３（３）： １１２—１１８． 的增大，就会使ＬＮＧ储罐导入的热量增大，就会使蒸 发变快、压力增加，减少ＬＮＧ安全储存的时间。所以 在设计ＬＮＧ储罐时尽量选择导热系数小的材料作为 隔热层。 －１４］邵小耿．１．５ｍ Ｃ型ＬＮＧ储罐的蒸发率研究Ｉ－Ｄ］．大连：大连理 工大学，２０１５． ［５］Ｄｉｍｏｐｏｕｌｏｓ Ｃ Ａ Ｆ．Ａ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ Ｌｉｑｕｅｆｉｅｄ Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｅ— ４ 结语 通过ＬＮＧ储罐稳态蒸发率仿真实验可知：随着 环境温度的增大，ＬＮＧ的蒸发率变大；随着保温层厚 度的增大，ＬＮＧ的蒸发率变小；随着保温层导热系数 的增大，ＬＮＧ的蒸发率变大。该仿真实验可以给学生 ｖａｐｏｒａｔｉｏｎ Ｄｕｒｉｎｇ Ｍａｒｉｎｅ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａ－ｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ，２００８，１１（３）：１２３－１３１． －１６］周立亚，龚福忠，兰宇卫，等．构建研究型实验教学法培养学生创新 能力［Ｊ］．实验室研究与探索，２０１１，３０（５）：１２７—１２９． ［７］冯根生，冯婷，杜春荣．基于学科特点的研究型实验教学模式建设 ［Ｊ］．实验技术与管理，２０１２，２９（３）：２３９—２４１． 创建一个接触科研、提高实验技能的平台。在该项实 验中，学生可以学习ＡＮＳＹＳ的建模、仿真计算、利用 －１８］冯毅萍，张光新，荣冈．基于知识系统化重构的研究型实验教学ｌ－Ｊ］． 实验技术与管理，２０１２，２９（１０）；１５４—１５６，１６８． －１９］陈明，于雁云，李楷，等．一种ＬＮＧ实验罐装景：中国， ＺＬ２０１４１０２９０９７９．ＯＥＰ］．２０１５一ＩＩ一１８． ［１０］于雁云，林焰，陈明，等．一种ＬＮＧ船用可调式保温层装置：中国， ＺＬ２０１４１０１５５１５６．７１－Ｐ］．２０１６—０３—０２． ［１１］刘文华，陆晟．中小型ＬＮＧ船Ｃ型液货舱蒸发率计算ｌ－Ｊ］．船 舶设计通讯，２０１２，３０（１）：２５—２８． 仿真软件解决实际科研问题的方法。这种科研与实践 相结合的教学模式能有效提高教学质量，培养学生运 用实验手段解决科研问题的能力。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ） ［１］许迈进，杨行昌．教学与科研并重：研究型大学和谐发展战略的重要
