油氣實驗設計論文范文

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1模型實驗目的及內容

實驗目的：在類似船舶搖晃、液貨裝卸等外來擾動引起的液艙液貨晃蕩條件下，結合油品在整個液貨艙中的傳質過程，研究油品蒸發及透氣孔處油氣的排出規律。在影響油品蒸發傳質速率的其他因素（溫度、黏度和密度等相關液貨特征參數）相同的情況下，將重點考慮液貨艙液相厚度（即液貨裝載率相同）與晃蕩強度對油品蒸發、油氣傳遞的影響，以探尋油氣的蒸發排放規律。實驗內容：構建實物模型實驗，研究貨艙液相厚度與晃蕩強度對于油氣排放的作用規律。根據研究目標，基于研究對象的特征，設計兩組3種實驗方案。第1組為晃蕩實驗：一是考察在相同液相厚度、不同晃蕩強度下透氣濃度的變化；二是考察在相同晃蕩強度、不同液相厚度下透氣濃度的變化。第2組為裝貨實驗：考察在裝貨過程中（即液相厚度與裝貨形成的晃蕩強度同時改變），透氣濃度的變化。

2模型實驗設計與流程

2.1模型設計制作及儀器設備

2.1.1模型艙的設計制作綜合參考現有大型油船結構尺寸資料，選取單個邊艙模型原型尺寸：長25.7m、寬16.1m、艙深18.9m，艙容約為7820m3。根據幾何相似原理建立一個約為單個邊艙1/40的模型（模型尺寸為：640mm×400mm×470mm，容積約120L）。模型艙使用有機玻璃制成，側壁留有一個注油孔A（半徑r=8mm）頂部留有一個透氣孔B（半徑R=12mm）和一個儀器固定孔C。同時，為了便于數據的分析與處理，整個模型艙被分為3個區：液相區、氣相區和氣液邊界層（氣液邊界層是擾動的，這里取平均值）。液相區主要是液態油品，高度用L表示；氣相區主要是油氣與空氣的混合氣體，高度用V表示；氣相區與液相區的交界處稱為氣液邊界層；整個模型艙的深度為H。

2.1.2液艙晃動模擬平臺的設計制作液艙晃動模擬平臺是用來模擬油船的油艙受風、浪影響而晃動的實驗設備，包括了傳動和控制兩部分。該裝置利用一個液壓缸提供推動力，使工作臺左右擺動以模擬船體在海上的晃蕩。在單片機輸入指令后，信號經過數模轉化器傳給電源，以改變電源的輸出電壓，進而改變伺服閥兩端的輸入電流，然后在閥內改變閥芯的開口大小，控制回路的輸出流量和壓力，從而控制液壓缸的運動，最終保證液壓缸的運動速度在設計值附近，使工作臺產生預期的晃蕩效果。

2.1.3儀器設備主要實驗儀器：一臺計量泵，用于模擬加油；一套液艙晃動模擬裝置，用于模擬油船在海上航行時的晃蕩情形；一臺DR70C系列智能線式紅外VOCs檢測儀，用于實時記錄透氣孔處排出油氣的濃度；一臺計算機，用于存儲濃度檢測儀記錄的數據；兩臺高清攝像機，分別從正面和側面記錄整個實驗過程中模型艙及液相表面的變化。

2.2晃蕩實驗設計

對于第一組實驗，由于液相的晃蕩強度與液相厚度及外來晃蕩強度有關，因此，為了研究不同液相晃蕩強度對透氣孔處排出油氣濃度的影響，設置7種氣液比、5種晃蕩強度的交叉晃蕩實驗。7種氣液比分別為1％、3％、5％、25％、50％、75％及95％，5種晃蕩強度分別為a（a=0）、b、c和d、e，共計進行35組晃蕩實驗。其中，外來晃蕩強度通過調節液艙晃動模擬平臺負載大小來施加。a=0，即晃蕩發生裝置關閉，液相處于靜置狀態；b為整個量程的20％；c為整個量程的40％；d為整個量程的60％；e為整個量程的80％。

2.3裝貨實驗設計

對于第2組實驗，由于不同的裝貨速率代表著不同的液面上升速率及液相擾動強度，因此，為了研究不同裝貨速率對油氣產生及排出的影響，共設計7種裝貨速率：0.38L/min、0.88L/min、1.38L/min、1.88L/min、2.46L/min、2.96L/min及3.46L/min，其裝載率都是0～95％。其中裝貨速率1.38L/min是根據實際油船裝貨速率按歐拉相似準則（壓力差為注油孔內外油品的壓力差）得到；裝貨速率0.38L/min、0.88L/min和1.88L/min、2.46L/min、2.96L/min和3.46L/min是結合計量泵的量程及最小刻度的實際情況，從而設計出0.5L/min裝貨速率間隔的速度。

2.4模型實驗流程

晃蕩實驗：將濃度傳感器安裝在透氣孔處，將模型艙固定在晃蕩發生裝置的工作臺上，分別調節油品的裝載率和模擬平臺的晃蕩強度，依次進行實驗，通過計算機分別記錄透氣孔處排出油氣的實時濃度。每次實驗前，模型艙內都充滿干凈空氣，艙內壓力為標準大氣壓。實驗時通過空調系統控制環境溫度為26℃。裝貨實驗：將油品通過計量泵再經過加油管注入模型艙內，濃度傳感器安裝在透氣孔處，依次進行實驗，用計算機分別記錄透氣孔處排出油氣實時濃度。每次加油實驗前，模型艙內都充滿干凈空氣，艙內壓力為標準大氣壓。實驗時用空調系統控制環境溫度為26℃。

3部分實驗結果展示

3.1晃蕩實驗

油品裝載率25％（圖6），靜置時間6h。在靜置條件下，當裝載率為25％時，透氣孔處排出氣體濃度規律：前600s左右，透氣孔處排出氣體中油氣體積分數為0；600s后，排出氣體中油氣體積分數在短時間內迅速上升至60％，隨后曲線斜率變小，排出氣體中油氣體積分數增加速度變慢，直至達到飽和，即油氣體積分數Csat=81.6％。形成這種現象的原因：前600s左右，排出的氣體主要為原來模型艙中的空氣，因此排出的油氣體積分數為0；600~2500s后，在模型艙氣相區中，由于油氣濃度差很大，油氣的蒸發擴散非常快，致使透氣孔處排出油氣的體積分數迅速增加；2500~5000s，隨著氣相區內油氣濃度差的減小，油氣的蒸發擴散變慢，造成透氣孔處排出油氣的體積分數增加變慢；5000s后，氣體的蒸發擴散慢慢接近充分，使得艙內油氣濃度達到飽和，排出油氣的體積分數不再增加。

3.2裝貨實驗

加油速度1.38L/min（圖8），加油時間4957s。在裝載率達到70％之前，透氣口排出氣體中油氣體積分數處于較低水平，約35％，且上升速率較慢。當裝載率為70％～95％時，排出氣體中油氣體積分數快速上升，最后達到90％，接近飽和（圖9）。該實驗結果與文獻[4]實船所測裝貨過程中透氣孔排氣規律相同。形成這種現象的原因：在整個加油過程中，從液面蒸發出油氣分子的自然擴散是從高濃度處向低濃度處進行，這使得艙內的油氣濃度呈現分層現象，越靠近液面，油氣濃度越大。在裝載率到達70％之前，主要是進行油氣分子的自然擴散，聚集形成油氣濃度層。同時，艙內空間較大，油氣的對流效應較弱，油氣從產生至傳遞到透氣口有延遲效應，因而使該過程中透氣口排出的油氣體積分數較小。隨后，裝載率從70％上升至95％，隨著液面上升，氣相區體積縮小，對流效應越來越明顯，延遲效應越來越弱，并且此時油氣分子自然擴散也更加充分，因而使透氣口排出氣體的體積分數上升得越來越快，體積分數值越來越大。

4結束語

研究晃動環境下油艙中油品氣液兩相質量傳遞規律是一項復雜且有意義的課題，其有助于探尋在晃蕩條件下減少油氣蒸發排放的科學作業方法，提高原油海運的安全性和運輸效率，同時可以減少環境污染，具有良好的經濟效益與生態效益。以上僅列出部分實驗結果及相關分析，鑒于晃動環境下油艙中原油氣液兩相間質量傳遞的模型實驗、流體力學和工程熱力學特性的復雜性和特殊性，深入的分析與研究工作極具挑戰性和必要性。

作者：朱哲野盧金樹劉楓琛朱發新李玉樂單位：浙江海洋學院海運學院