液化气体通常有加压液化和低温液化两种液化方式,对应地,液化气体储罐有常温储罐(如液化石油气)和低温储罐(如液化天然气)两种形式。无论哪种形式,当其受到外界热环境侵袭时均有超压失效的危险,而一旦储罐破裂,还有可能发生沸腾液体扩展蒸气爆炸,此类事故在国内外常有发生。本文认为,尽管不同的液化气体储罐发生事故的模式有所不同,但是从物理问题的角度来看,都是热环境、储罐壁与内部介质之间的传热与介质内部的传质耦合作用的结果。现有研究工作表明液化气体储罐受到外部热环境侵袭时,罐内介质往往会产生温度分层,而液化气体的温度分层直接决定了储罐的能量储存和压力上升速率,这将进一步影响储罐的安全。因此研究液化气体储罐在热环境下的响应规律对提出储罐安全运行策略和事故预防措施具有现实指导意义。鉴于此,本文主要开展了以下几方面的研究工作：(1)搭建了立式圆柱形储罐受热实验台,进行了液化气体储罐电加热模拟实验,研究了典型的储罐响应规律,即内部介质的升温升压规律和储罐壁面的升温规律。实验结果表明液化气体储罐对热环境的响应呈现分区和分阶段特征。通过分析实验规律,提出了液化气体储罐热质耦合响应过程的物理模型,包括热环境、储罐壁与内部介质之间的传热耦合模型和储罐传热与罐内液化气体传质的耦合模型。(2)在此基础上,建立了耦合求解储罐壁面固体传热区和罐内介质气液两相传热传质区的多区多相场数值计算模型,并依据储罐受热实验结果验证了模型的可靠性。通过数值模拟,研究了储罐热质耦合响应过程的流体动力学和传热传质学机理,揭示了温度分层演化过程中的流场特征以及温度分层和分层消除对储罐传热过程的影响。结果显示,温度分层消除以后,壁面的传热方式由单相对流转变为沸腾对流。(3)通过数值试验,考察了外部火灾条件对储罐压力、介质温度和储罐壁温的影响。结果表明：外部热环境的对流强度较高时,储罐的壁温和压力上升速率较快,但是由于分层程度较高,介质的整体过热度较低,储罐破裂后爆沸的程度也较低；火焰包围程度较低时,储罐容易首先形成有限裂口,而后因介质爆沸发生二次破裂；火焰温度较高时,储罐更早发生破裂,但是破裂压力相对较低。(4)通过耦合求解组分输运效应,研究了温度和组分差异共同驱动下液化气体分层演化的机理。结果表明：侧壁受热时边界穿透机制是引发翻滚的主要因素,并且分层界面呈现从上至下的迁移,与侧壁受热不同,底部受热时分层界面呈现从下至上的迁移；发生翻滚时,储罐的压力上升速率在下层液体运动到液面以后达到最大；对于不同的初始分层状态,当下层液体的重组分含量较大时,翻滚超压较低。