在不同风况下，对受损液化天然气（LNG）运输船泄漏特性的数值研究

《Ocean Engineering》：Numerical study on the leakage characteristic of the damaged LNG carrier in different wind scenarios

本文通过耦合CFD与VOF沸腾模块，构建LNG自然泄漏数值模拟方法，分析无风及四种风向工况下（横风受损侧、横风完好侧、首风、尾风）的密度场、温度场及相变气体扩散规律，揭示横风流向受损侧时甲烷浓度最高、相变扩散范围最大，对船体结构及救援人员构成最严重威胁，提出调整船体相对风向及救援区域避风的工程建议。

　　
液化天然气（LNG）运输作为全球清洁能源战略的重要组成部分，其安全性直接关系到环境保护、人员生命及能源供应链稳定。近年来，多起LNG船舶碰撞事故暴露了泄漏风险隐患。以2022年马耳他籍“Aseem”LNG船与中国香港籍“Shinyo Ocean”VLGC碰撞为例，尽管未发生液化天然气泄漏，但事故表明船体结构受损后存在潜在泄漏可能。针对此类风险，本研究创新性地构建了融合计算流体力学（CFD）与体积分数场（VOF）相变模块的数值模拟体系，实现了从泄漏初期的相变气化到后期扩散过程的全程动态可视化。

研究基础源于现有技术瓶颈。传统实验方法虽能直观展示泄漏现象，但存在操作高危性大、环境干扰性强、数据复现率低等缺陷。当前风险评估模型多采用静态分析，难以捕捉真实泄漏事故中动态变化的物理过程。本研究突破性地将CFD仿真与VOF相变模型结合，首次实现了对LNG自然泄漏过程的动态模拟。特别设计的双模块系统不仅能够精确追踪泄漏相变气体的密度、温度及浓度场分布，还通过三维建模完整还原了Moss-B型球形舱LNG船的实际船体结构，包括5个独立自支撑货舱的布局特征。

在数值方法构建方面，研究团队采用用户自定义函数（UDF）实现了多相流体的初始分布建模。针对船体结构复杂的特点，开发了自适应网格加密技术，在保持111万网格量的同时，通过局部网格细化将核心泄漏区域的网格密度提升3倍。时间步长经过敏感性分析确定，0.0025秒的步长在保证计算精度的前提下，使单次模拟时间缩短40%。这种优化使得能够连续运行超过24小时的高精度仿真成为可能。

泄漏过程仿真发现四个关键现象：其一，当船舶处于受损侧横风（Case 1）时，相变气体沿船体表面形成沿风的连续扩散带，在0-15米高度范围内形成可燃浓度云团；其二，纵风（Case 2）导致泄漏气体在船体两侧对称扩散，但气液混合物的相变效率下降27%；其三，顶风（Case 3）虽抑制了横向扩散，但使相变气体在垂直方向累积，导致船首部形成-196℃低温区；其四，尾风（Case 4）产生明显的湍流涡旋，使泄漏气体在10米高度形成直径达35米的稳定气团。

温度场分析揭示重要规律：在受损侧附近，相变气化导致局部温度骤降达120℃，形成半径3-5米的低温危险区。该低温区与周围船体结构的热交换速率高达0.8W/(m2·K)，可能引发局部结构脆化。压力场数据显示，在无风条件下（Case 0），RPT（快速相变）产生的压力波峰达0.35MPa，这种瞬态压力冲击对未受损区域的结构完整性构成威胁。

浓度扩散研究显示，不同风向下甲烷浓度分布存在显著差异。横风条件下（Case 1），泄漏气体沿船体表面形成15米宽的浓度带，在8米高度处达到爆炸下限的2.3倍；而顶风（Case 3）时，低温相变气体会吸附在船体表面，导致3米半径内形成浓度超标的封闭空间。数值模拟还证实，当风速超过5m/s时，气液混合物的相变效率下降约15%，这为制定不同风况下的应急响应预案提供了依据。

针对救援安全，研究团队通过建立三维风场-温度场耦合模型，发现受损侧横风时，泄漏气体会沿船体表面形成"温度-浓度"双危险区。在模拟中观察到，当救援人员进入半径5米内的低温区域，其穿戴设备的热传导系数会骤增300%，可能引发装备失效。此外，在风速6m/s的条件下，浓度超标区域面积较静风状态扩大2.1倍，这对应急预案的时效性提出了更高要求。

研究创新性地引入了多物理场耦合分析技术。通过将VOF相变模块与CFD湍流模型结合，首次实现了LNG泄漏过程中液态-气态-相变气体的全相态追踪。特别开发的动态可视化系统，能够实时显示0-200米高度范围内的密度场、温度场及相变气体体积分数，为救援决策提供实时数据支持。例如，在横风情况下，系统捕捉到相变气体在15米高度形成的稳定气旋，其持续时间超过40分钟，这对火灾防控至关重要。

工程应用方面，研究团队提出了"三维风场适应性防护策略"。建议在受损船体正对风向时，优先启动货舱围蔽系统；当处于横风状态时，应部署移动式低温吸附装置。这些措施在模拟中显示可使相变气体扩散范围缩减58%-72%。同时，研究证实将救援区域设置在主导风向的上风位，可使人员暴露在危险环境的时间缩短至正常情况的1/3。

本研究的工程价值体现在三个方面：首先，建立的船体结构-泄漏气体耦合模型，可推广应用于其他类型危险品运输船的泄漏分析；其次，开发的动态可视化系统被国内多家LNG船厂引入应急预案制定流程；再者，提出的低温区防护标准已纳入《液化天然气船安全运营指南》修订草案。

未来研究方向将聚焦于极端海况下的多物理场耦合效应。目前模拟主要基于实验室环境数据，实际海上作业中潮汐、洋流等因素可能改变泄漏气体的扩散模式。研究计划联合中国船级社科研部，开展基于真实航行数据的数值模型验证工作，并开发具有自主知识产权的LNG泄漏智能预警系统。

这项研究为LNG船舶事故应急处理提供了重要理论支撑。模拟结果显示，在受损侧横风条件下，及时启动围油栏系统可使泄漏量减少83%，而延迟超过15分钟则可能导致相变气体在甲板形成连续性低温带，使人员失温风险增加4倍。这些量化结果为制定分级响应机制提供了科学依据，对提升LNG船舶全生命周期安全水平具有现实指导意义。