液化天然气(LNG)是天然气储存和运输的一种有效方法。随着我国对液化天然气的大量进口以及随之而来的LNG广泛应用,LNG的储运安全性问题就显得越来越突出。不仅要考虑天然气所具有的易燃易爆的危险性,还要考虑由于转变为液态以后,其低温特性和液体特征所引起的安全问题。液化天然气的涡旋(rollover)和沸腾液体膨胀蒸气爆炸(BLEVE)是较为常见的事故类型,故了解其本质特征有助于LNG的安全使用。 本课题得到了国家自然科学基金“液化天然气储运安全性问题的非线性机理及其智能评价”的资助(项目号：50474034)。 传统的研究液化天然气的理论主要是运用经典的确定性理论,而LNG的分层涡旋、沸腾液体膨胀蒸气爆炸等现象都是复杂的非线性动力系统,运用经典的确定性理论可能会抹杀其复杂性本质。本文从非线性动力学的角度出发,建立描述分层后LNG液相主流区的流动模型、LNG涡旋的分形模型及BLEVE的突变模型,运用混沌、分形、突变理论揭示现象的本质特征,具体研究包括以下三个方面： 分层是液化天然气涡旋的必要条件。用混沌学来描述液化天然气内部对流,对其运动状态和规律做出定量的判断。将分层后主流区内的LNG作为研究对象,建立Rayleigh-Benard对流模型,并由守恒方程推导出了LNG对流运动的Lorenz方程。利用阮奇-库达法解微分方程组,发现当Pr=1.33,106＜r＜1470时,方程在适当的初值下出现混沌解,此时速度场、温度场呈现高度不稳定。随后讨论了尺度因子和温差对方程解的影响,并指出混沌的产生是浮升力和粘性力相互作用的结果。一般LNG储罐内主流区的Ra的数量级高达1010-1015,且LNG本身的粘性力较小,当对流空间高度为0.2m时,较小的温差(约0.3K)便可产生不稳定对流,LNG储罐罐壁的低温钢板和外加保温层对减少储运失稳事故影响较大。 LNG涡旋是相干结构的主要成员,具有自相似性和无标度性,是典型的分形现象。取三维空间的相点进行涡旋关联维数的计算,研究液相区底层液体漏热下,关联维数随温差的变化规律,结果表明：关联维数随温差的增大而增大。考虑计算方法产生的误差,当关联维数Dc等于1时,此时储罐底层液体处于周期性运动状态；1＜Dc＜2之间时,表明处于拟周期运动状态,液体从层流向湍流过渡,其转捩动力学特征还需进一步的研究；2＜Dc＜3,表示进入湍流状态。 热侵袭下的液化天然气储罐升压现象具有不连续性和突变性的特征。用范德华方程描述具有一定过热度的LNG气化相变过程,引入微分同胚项对其进行变换,发现其形式符合尖点突变平衡点方程,揭示了突变机理是储罐内LNG大规模蒸发现象的本质特征。选取过热区内的LNG作为一个系统,可定性描述出系统内气液相变中的突变过程,并可分析出相变发生在u1=0,就u2<0处,相应得到各压力下LNG的液相失稳过热度。 根据道尔顿分压定律可知,LNG相变过程中储罐内压力增量和发生气化的LNG量成正比。此时LNG处于压力低温储存,当储罐失效时可能发生液化天然气的BLEVE现象。故储罐应有可靠的隔热效果,安全阀保持灵敏正确,并有足够的排放能力才能有效减少事故的发生几率,避免危害性更大的化学性爆炸发生。