油氣實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)論文范文

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1模型實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模涸陬?lèi)似船舶搖晃、液貨裝卸等外來(lái)擾動(dòng)引起的液艙液貨晃蕩條件下，結(jié)合油品在整個(gè)液貨艙中的傳質(zhì)過(guò)程，研究油品蒸發(fā)及透氣孔處油氣的排出規(guī)律。在影響油品蒸發(fā)傳質(zhì)速率的其他因素（溫度、黏度和密度等相關(guān)液貨特征參數(shù)）相同的情況下，將重點(diǎn)考慮液貨艙液相厚度（即液貨裝載率相同）與晃蕩強(qiáng)度對(duì)油品蒸發(fā)、油氣傳遞的影響，以探尋油氣的蒸發(fā)排放規(guī)律。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：構(gòu)建實(shí)物模型實(shí)驗(yàn)，研究貨艙液相厚度與晃蕩強(qiáng)度對(duì)于油氣排放的作用規(guī)律。根據(jù)研究目標(biāo)，基于研究對(duì)象的特征，設(shè)計(jì)兩組3種實(shí)驗(yàn)方案。第1組為晃蕩實(shí)驗(yàn)：一是考察在相同液相厚度、不同晃蕩強(qiáng)度下透氣濃度的變化；二是考察在相同晃蕩強(qiáng)度、不同液相厚度下透氣濃度的變化。第2組為裝貨實(shí)驗(yàn)：考察在裝貨過(guò)程中（即液相厚度與裝貨形成的晃蕩強(qiáng)度同時(shí)改變），透氣濃度的變化。

2模型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與流程

2.1模型設(shè)計(jì)制作及儀器設(shè)備

2.1.1模型艙的設(shè)計(jì)制作綜合參考現(xiàn)有大型油船結(jié)構(gòu)尺寸資料，選取單個(gè)邊艙模型原型尺寸：長(zhǎng)25.7m、寬16.1m、艙深18.9m，艙容約為7820m3。根據(jù)幾何相似原理建立一個(gè)約為單個(gè)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(jī)玻璃制成，側(cè)壁留有一個(gè)注油孔A（半徑r=8mm）頂部留有一個(gè)透氣孔B（半徑R=12mm）和一個(gè)儀器固定孔C。同時(shí)，為了便于數(shù)據(jù)的分析與處理，整個(gè)模型艙被分為3個(gè)區(qū)：液相區(qū)、氣相區(qū)和氣液邊界層（氣液邊界層是擾動(dòng)的，這里取平均值）。液相區(qū)主要是液態(tài)油品，高度用L表示；氣相區(qū)主要是油氣與空氣的混合氣體，高度用V表示；氣相區(qū)與液相區(qū)的交界處稱(chēng)為氣液邊界層；整個(gè)模型艙的深度為H。

2.1.2液艙晃動(dòng)模擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)制作液艙晃動(dòng)模擬平臺(tái)是用來(lái)模擬油船的油艙受風(fēng)、浪影響而晃動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括了傳動(dòng)和控制兩部分。該裝置利用一個(gè)液壓缸提供推動(dòng)力，使工作臺(tái)左右擺動(dòng)以模擬船體在海上的晃蕩。在單片機(jī)輸入指令后，信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)化器傳給電源，以改變電源的輸出電壓，進(jìn)而改變伺服閥兩端的輸入電流，然后在閥內(nèi)改變閥芯的開(kāi)口大小，控制回路的輸出流量和壓力，從而控制液壓缸的運(yùn)動(dòng)，最終保證液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度在設(shè)計(jì)值附近，使工作臺(tái)產(chǎn)生預(yù)期的晃蕩效果。

2.1.3儀器設(shè)備主要實(shí)驗(yàn)儀器：一臺(tái)計(jì)量泵，用于模擬加油；一套液艙晃動(dòng)模擬裝置，用于模擬油船在海上航行時(shí)的晃蕩情形；一臺(tái)DR70C系列智能線式紅外VOCs檢測(cè)儀，用于實(shí)時(shí)記錄透氣孔處排出油氣的濃度；一臺(tái)計(jì)算機(jī)，用于存儲(chǔ)濃度檢測(cè)儀記錄的數(shù)據(jù)；兩臺(tái)高清攝像機(jī)，分別從正面和側(cè)面記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中模型艙及液相表面的變化。

2.2晃蕩實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于第一組實(shí)驗(yàn)，由于液相的晃蕩強(qiáng)度與液相厚度及外來(lái)晃蕩強(qiáng)度有關(guān)，因此，為了研究不同液相晃蕩強(qiáng)度對(duì)透氣孔處排出油氣濃度的影響，設(shè)置7種氣液比、5種晃蕩強(qiáng)度的交叉晃蕩實(shí)驗(yàn)。7種氣液比分別為1％、3％、5％、25％、50％、75％及95％，5種晃蕩強(qiáng)度分別為a（a=0）、b、c和d、e，共計(jì)進(jìn)行35組晃蕩實(shí)驗(yàn)。其中，外來(lái)晃蕩強(qiáng)度通過(guò)調(diào)節(jié)液艙晃動(dòng)模擬平臺(tái)負(fù)載大小來(lái)施加。a=0，即晃蕩發(fā)生裝置關(guān)閉，液相處于靜置狀態(tài)；b為整個(gè)量程的20％；c為整個(gè)量程的40％；d為整個(gè)量程的60％；e為整個(gè)量程的80％。

2.3裝貨實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于第2組實(shí)驗(yàn)，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(dòng)強(qiáng)度，因此，為了研究不同裝貨速率對(duì)油氣產(chǎn)生及排出的影響，共設(shè)計(jì)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(jù)實(shí)際油船裝貨速率按歐拉相似準(zhǔn)則（壓力差為注油孔內(nèi)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(jié)合計(jì)量泵的量程及最小刻度的實(shí)際情況，從而設(shè)計(jì)出0.5L/min裝貨速率間隔的速度。

2.4模型實(shí)驗(yàn)流程

晃蕩實(shí)驗(yàn)：將濃度傳感器安裝在透氣孔處，將模型艙固定在晃蕩發(fā)生裝置的工作臺(tái)上，分別調(diào)節(jié)油品的裝載率和模擬平臺(tái)的晃蕩強(qiáng)度，依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)分別記錄透氣孔處排出油氣的實(shí)時(shí)濃度。每次實(shí)驗(yàn)前，模型艙內(nèi)都充滿干凈空氣，艙內(nèi)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)控制環(huán)境溫度為26℃。裝貨實(shí)驗(yàn)：將油品通過(guò)計(jì)量泵再經(jīng)過(guò)加油管注入模型艙內(nèi)，濃度傳感器安裝在透氣孔處，依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用計(jì)算機(jī)分別記錄透氣孔處排出油氣實(shí)時(shí)濃度。每次加油實(shí)驗(yàn)前，模型艙內(nèi)都充滿干凈空氣，艙內(nèi)壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。實(shí)驗(yàn)時(shí)用空調(diào)系統(tǒng)控制環(huán)境溫度為26℃。

3部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示

3.1晃蕩實(shí)驗(yàn)

油品裝載率25％（圖6），靜置時(shí)間6h。在靜置條件下，當(dāng)裝載率為25％時(shí)，透氣孔處排出氣體濃度規(guī)律：前600s左右，透氣孔處排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)為0；600s后，排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)在短時(shí)間內(nèi)迅速上升至60％，隨后曲線斜率變小，排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)增加速度變慢，直至達(dá)到飽和，即油氣體積分?jǐn)?shù)Csat=81.6％。形成這種現(xiàn)象的原因：前600s左右，排出的氣體主要為原來(lái)模型艙中的空氣，因此排出的油氣體積分?jǐn)?shù)為0；600~2500s后，在模型艙氣相區(qū)中，由于油氣濃度差很大，油氣的蒸發(fā)擴(kuò)散非常快，致使透氣孔處排出油氣的體積分?jǐn)?shù)迅速增加；2500~5000s，隨著氣相區(qū)內(nèi)油氣濃度差的減小，油氣的蒸發(fā)擴(kuò)散變慢，造成透氣孔處排出油氣的體積分?jǐn)?shù)增加變慢；5000s后，氣體的蒸發(fā)擴(kuò)散慢慢接近充分，使得艙內(nèi)油氣濃度達(dá)到飽和，排出油氣的體積分?jǐn)?shù)不再增加。

3.2裝貨實(shí)驗(yàn)

加油速度1.38L/min（圖8），加油時(shí)間4957s。在裝載率達(dá)到70％之前，透氣口排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)處于較低水平，約35％，且上升速率較慢。當(dāng)裝載率為70％～95％時(shí)，排出氣體中油氣體積分?jǐn)?shù)快速上升，最后達(dá)到90％，接近飽和（圖9）。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[4]實(shí)船所測(cè)裝貨過(guò)程中透氣孔排氣規(guī)律相同。形成這種現(xiàn)象的原因：在整個(gè)加油過(guò)程中，從液面蒸發(fā)出油氣分子的自然擴(kuò)散是從高濃度處向低濃度處進(jìn)行，這使得艙內(nèi)的油氣濃度呈現(xiàn)分層現(xiàn)象，越靠近液面，油氣濃度越大。在裝載率到達(dá)70％之前，主要是進(jìn)行油氣分子的自然擴(kuò)散，聚集形成油氣濃度層。同時(shí)，艙內(nèi)空間較大，油氣的對(duì)流效應(yīng)較弱，油氣從產(chǎn)生至傳遞到透氣口有延遲效應(yīng)，因而使該過(guò)程中透氣口排出的油氣體積分?jǐn)?shù)較小。隨后，裝載率從70％上升至95％，隨著液面上升，氣相區(qū)體積縮小，對(duì)流效應(yīng)越來(lái)越明顯，延遲效應(yīng)越來(lái)越弱，并且此時(shí)油氣分子自然擴(kuò)散也更加充分，因而使透氣口排出氣體的體積分?jǐn)?shù)上升得越來(lái)越快，體積分?jǐn)?shù)值越來(lái)越大。

4結(jié)束語(yǔ)

研究晃動(dòng)環(huán)境下油艙中油品氣液兩相質(zhì)量傳遞規(guī)律是一項(xiàng)復(fù)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(fā)排放的科學(xué)作業(yè)方法，提高原油海運(yùn)的安全性和運(yùn)輸效率，同時(shí)可以減少環(huán)境污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與生態(tài)效益。以上僅列出部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)分析，鑒于晃動(dòng)環(huán)境下油艙中原油氣液兩相間質(zhì)量傳遞的模型實(shí)驗(yàn)、流體力學(xué)和工程熱力學(xué)特性的復(fù)雜性和特殊性，深入的分析與研究工作極具挑戰(zhàn)性和必要性。

作者：朱哲野盧金樹(shù)劉楓琛朱發(fā)新李玉樂(lè)單位：浙江海洋學(xué)院海運(yùn)學(xué)院