远距离大批量的天然气运输,多采用将天然气深冷液化为-163℃的LNG(Liquefied Natural Gas),再通过LNG运输船进行运输。LNG液舱运营投产前,需先用BOG(LNG蒸气)置换液舱内凝点较高的气体,再进行喷雾预冷以保证装载时的安全。大型的LNG液舱多采用LNG作为喷雾预冷的制冷剂,使LNG液滴在BOG中蒸发吸热,以达到液舱预冷的目的。液舱预冷工作危险系数高,技术难度大。但是,目前缺乏适用于LNG液舱喷雾预冷过程模拟预测的LNG液滴在BOG中蒸发的液滴蒸发模型。因此,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)的方法,基于气液界面能量守恒原理,建立了LNG单液滴和无蒸发恒温低温球在LNG蒸气中自然对流换热蒸发的数值模型。首先利用该模型模拟分析了温差从190 K到10 K,粒径从2.5 mm至0.1 mm的低温球自然对流换热特性。然后以此为基础,对相同工况下LNG液滴在其蒸气中自然对流换热蒸发特性进行研究。分析了温差、粒径对蒸发和换热特性的影响,并通过与低温球换热特性对比,量化研究了“吹拂效应”,建立了无量纲关联式。在此基础上建立了可用于工程计算的LNG液滴自然对流蒸发计算模型,并提出了Lee模型修正因子。最后对LNG单液滴自然对流蒸发模型在液舱预冷中的应用进行了初探,并得到了具有参考价值的结果。研究结果如下:(1)液滴蒸发过程的温度边界层随着来流夹角φ增大逐渐增厚,在0°至90°缓慢变厚,在90°至180°迅速变厚。温度边界层平均厚度随着温差减小而线性增大,随着粒径缩小而减小。(2)液滴表面蒸气喷发速度、局部热流密度和局部Nu数均随来流夹角φ增大经历了先缓慢减小后迅速减小的过程,在φ从0°至90°缓慢减小,从90°至180°迅速减小。平均蒸气喷发速度、平均热流密度、平均N?u数、换热量和质量蒸发率均随着温差减小而线性减小。平均蒸气喷发速度和平均热流密度随着粒径缩小经历了先缓慢增大后迅速增大的两阶段增大过程,在φ从0°至90°缓慢增大,从90°至180°迅速增大。平均N?u数、换热量和质量蒸发率随着粒径缩小而减小。(3)“吹拂效应”使液滴温度边界层变厚,导致液滴表面热流密度、N?u_l数和换热量减小。“吹拂效应”随着温差减小而线性减小,随着粒径缩小基本保持不变。温差为300 K时,“吹拂效应”约为29.2%,当温差小于25 K时,“吹拂效应”小于5%,可忽略不计。(4)建立了LNG液滴自然对流N?u_l数无量纲关联式,可以直接计算LNG液滴自然对流N?u_l数。在此基础上建立了可用于工程计算的LNG液滴自然对流蒸发计算模型,利用该模型可直接得出液滴质量蒸发速率。修正后的Lee模型修正因子,使得Lee模型在一定范围内可以适用于LNG液滴自然对流蒸发的计算。(5)对单液滴液舱预冷过程进行模拟,在模拟液舱容积保持一定时,液滴粒径越大,液舱初始温度越低,液舱预冷时间越短,随着预冷进行,液舱温降速率逐渐变慢。“吹拂效应”累积叠加,使得液舱温降速率降低,使预冷完成时间大幅延长。粒径越小,“吹拂效应”越强,“吹拂效应”随液舱初始温度变化几乎保持不变。本文的研究为下一步建立更为全面的非常规条件下液滴蒸发模型提供参考,并为LNG液舱喷雾预冷过程的预测和风险控制提供支持,进一步提高液舱喷雾预冷操作的安全性和经济性。