薄膜型LNG船橫向隔離艙溫度場分析的簡化算法

呂立偉吳嘉蒙余勇華

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011；2.江蘇新?lián)P子造船有限公司 靖江214532）

薄膜型LNG船橫向隔離艙溫度場分析的簡化算法

呂立偉1吳嘉蒙1余勇華2

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011；2.江蘇新?lián)P子造船有限公司 靖江214532）

國內(nèi)針對薄膜型LNG船的溫度場分析中，縱向構(gòu)件及空間的計算結(jié)果已能保證一定的計算精度，但對于橫向隔離艙通常未予關(guān)注，或計算結(jié)果與某薄膜型圍護系統(tǒng)設(shè)備商（如GTT）的差異較大。文中針對薄膜型LNG船的橫向隔離艙進行溫度場分析，提出一種簡化的計算方法，并研究歸納了一組自然對流系數(shù)的簡化公式。通過和GTT提供的結(jié)果對比，證明該方法可行，且能保證一定的計算精度。

薄膜型LNG船；橫向隔離艙；溫度場；自然對流系數(shù)

引 言

溫度場計算分析是液化氣船，特別是LNG船設(shè)計過程中非常重要的一項內(nèi)容，它不僅決定了船體結(jié)構(gòu)的鋼級選擇，也是計算LNG船日蒸發(fā)率的主要依據(jù)。薄膜型LNG船是我國船舶行業(yè)的重點研究目標，國內(nèi)對薄膜型LNG船的溫度場分析已進行較多研究［1-4］，包括環(huán)境工況、絕緣箱熱傳導(dǎo)系數(shù)、是否考慮輻射傳熱、不同溫度場計算假定等。其中大部分研究都是針對LNG船縱向構(gòu)件/空間的溫度場，已能保證一定的計算精度；但對于橫向隔離艙壁的溫度場分析較少，僅有的研究結(jié)果與薄膜型貨艙圍護系統(tǒng)設(shè)備商（如Gaztransport & Technigaz，以下簡稱GTT）提供的數(shù)據(jù)差別較大。

眾所周知，薄膜型LNG船的橫向隔離艙壁布置是《國際散裝運輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》（以下簡稱“IGC規(guī)則”）強制要求的。其布置在兩個液貨艙之間，內(nèi)部設(shè)置有考慮100%冗余的加熱系統(tǒng)，能保證隔離艙的內(nèi)部溫度維持在5℃，橫艙壁板維持在0℃以上。因此，溫度場分析時通常都考慮隔離橫艙壁內(nèi)的加熱效應(yīng)，選取橫艙壁板結(jié)構(gòu)用鋼鋼級時也都采用A級鋼（按IGC規(guī)則要求最低設(shè)計溫度為0℃以上）。

但作為確定隔離橫艙壁內(nèi)加熱系統(tǒng)功率的重要參考依據(jù)，不考慮加熱效應(yīng)下的隔離橫艙壁溫度場分析也屬于薄膜型LNG船溫度場分析的關(guān)鍵技術(shù)之一，有必要進行研究并提高其計算精度和計算效率。

1 隔離艙溫度場的簡化算法

溫度場分析時，主要考慮三種傳熱方式［5］：熱傳導(dǎo)、對流換熱和輻射傳熱。文獻［3］認為：如進行的溫度場分析是用于確定結(jié)構(gòu)用鋼的鋼級，不考慮輻射傳熱是偏于保守的。

決定熱傳導(dǎo)的關(guān)鍵是絕緣箱的導(dǎo)熱系數(shù)，從不同文獻看取值差異較大［3］，相關(guān)文獻中也對絕緣箱的導(dǎo)熱系數(shù)進行了估算，建議次絕緣箱的導(dǎo)熱系數(shù)取值為0.0278（W/m·K）［6］。

決定對流換熱的關(guān)鍵是對流換熱系數(shù)的選取。在工程上求取對流換熱系數(shù)的常用方法：首先根據(jù)相似論或因次分析方法，確定一組和對流換熱過程相關(guān)的無因次數(shù)群，如普朗特準則數(shù)Pr、雷諾準則數(shù)Re、格拉曉夫準則數(shù)Gr、努塞特準則數(shù)Nu等；然后通過試驗求得它們之間的關(guān)系，再進而求解得到對流換熱系數(shù)［3］。對于隔離艙空間而言，對流換熱主要取決于自然對流換熱。

1.1 自然對流換熱系數(shù)的簡化公式

針對不同的自然對流模型，可根據(jù)試驗求得相應(yīng)的試驗關(guān)聯(lián)公式。對于LNG船而言，試驗關(guān)聯(lián)公式多基于大空間的自然對流模型。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)空氣的溫度確定時，自然對流換熱系數(shù)h僅和溫差以及幾何特征長度L有關(guān)。因此，自然對流換熱系數(shù)可簡化為如下公式：

式中：a是與空氣相關(guān)的特性系數(shù)。

對于LNG船，不同區(qū)域的幾何特征長度可通過歸納得到。文獻［5］基于大空間自然對流模型和試驗關(guān)聯(lián)公式，并結(jié)合薄膜型LNG船的結(jié)構(gòu)布置特點，針對進行了研究，并最終將式（1）簡化為如下公式。

對于熱水平板上表面：

1.2 計算假設(shè)

橫向隔離艙的溫度場簡化分析時，假定：

（1）主屏壁破損、次屏壁完整。

（2）忽略船體結(jié)構(gòu)的傳導(dǎo)換熱損失。

（3）忽略絕緣層和LNG之間的換熱損失。

（4）忽略輻射換熱。

（5）考慮船體骨材引起的肋片效應(yīng)。所謂肋片，在傳熱學(xué)中定義為：為增強傳熱，附加于固體壁面上的一種擴展形式的換熱面。

1.3 計算模型及邊界條件

對于任何一個艙室，當(dāng)處于熱平衡狀態(tài)時，根據(jù)能量守恒定律，艙室內(nèi)介質(zhì)（空氣或海水）和構(gòu)成該艙室的各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件間的換熱量始終是恒定的，即各艙室總換熱量為0。對于橫向隔離艙壁溫度場分析時，完全基于能量守恒定律（如下頁圖1所示），關(guān)系式為：

圖1 橫向隔離艙空間簡化模型

1.4 簡化分析的計算流程

（1）確定環(huán)境計算工況。

（2）計算船體縱向空間的溫度。

（3）設(shè)定橫艙壁溫度的初始值。

（4）計算隔離艙空間的溫度。

（5）計算隔離艙各邊界面上的自然對流換熱系數(shù)。

（6）計算隔離艙空間各個邊界面上的流入（流出）熱量。

當(dāng)滿足式（6）時，認為已達到熱平衡；否則，繼續(xù)調(diào)整橫艙壁溫度，并進行步驟（4）-步驟（6）。

（7）得到橫艙壁及隔離艙空間的溫度。

2 算例分析

針對某22萬m3薄膜型LNG船的船舯典型橫向隔離艙和船尾隔離艙進行溫度場簡化分析。

2.1 計算工況

環(huán)境溫度條件見表1。對于尾部隔離空艙，由于其后部為機艙，假定機艙空間溫度設(shè)定為5℃。

表1 溫度場計算的環(huán)境條件

2.2 縱向空間的溫度場計算結(jié)果

目標船縱向空間的溫度分布計算結(jié)果如表2所示。

表2 目標船縱向空間的溫度分布℃

2.3 橫向隔離艙溫度場計算結(jié)果

限于篇幅，以下僅出船舯典型橫向隔離艙和船尾隔離艙溫度場計算的最后一步疊代計算結(jié)果，分別如下頁表3和表4所示。

2.4 與GTT結(jié)果對比

GTT公司針對該目標船也進行了溫度場預(yù)報，環(huán)境工況與本文完全一致。表5給出了船舯典型橫向隔離艙和船尾隔離艙與GTT的結(jié)果對比。

表3 船舯典型隔離艙溫度場簡化計算結(jié)果

表4 船尾隔離艙溫度場簡化計算結(jié)果

表5 橫向隔離艙壁的溫度分布對比℃

由表5可見，基于本文自然對流換熱系數(shù)簡化公式的溫度場計算結(jié)果，與GTT提供的結(jié)果基本一致，誤差不超過1.1℃，說明本文的計算方法是可行的，自然對流換熱系數(shù)的簡化公式是可靠的。另外，采用本文的計算方法不必進行有限元分析，僅在Excel中編制計算表格即可完成，對于工程實際而言效率較高。

3 結(jié) 論

文中給出一種計算LNG船橫向隔離艙溫度場的簡化計算方法，并且對LNG船的自然對流換熱系數(shù)進行了簡化處理。經(jīng)算例分析，計算結(jié)果與GTT的結(jié)果基本一致，表明本文采用的簡化公式可靠、計算方法可行，大大減少了有限元建模工作量，且較好地提高了對工程實際應(yīng)用效率。

此外，本文歸納的自然對流換熱系數(shù)簡化公式也適用于薄膜型LNG船縱向構(gòu)件的溫度場簡化計算和其他液化氣船的溫度場分析，不過，這尚有待業(yè)界進一步證明。

［1］ 章偉星，李科浚，周昊，等.薄膜式LNG運輸船溫度場研究［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（10）：110-112.

［2］ 章偉星，莫鑒輝，金立明，等. 138 000 m3薄膜式LNG運輸船溫度場及其熱應(yīng)力分析［J］.船舶力學(xué)，2008，12（5）：770-777.

［3］ 吳嘉蒙，賀俊松，張勇，等.薄膜型液化天然氣船溫度場分析的若干問題研究［J］. 中國造船，2012，53（3）：75-84.

［4］ 吳嘉蒙，呂立偉.薄膜型液化天然氣船結(jié)構(gòu)規(guī)范計算的比較和研究［J］.船舶，2012（4）：38-44.

［5］ 張靖周， 常海萍.傳熱學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［6］ 呂立偉.液化天然氣船溫度場分析研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2013.

Simpli fi ed calculation method for temperature fi eld analysis of transverse cofferdam of membrane tank LNG carriers

Lü Li-wei WU Jia-meng YU Yong-hua
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. JiangSu New Yangzi Shipbuilding Co., Ltd., Jingjiang 214532, China)

For the temperature fi eld analysis of membrane tank LNG carriers, calculation accuracy of longitudinal structure and space can be ensured. However, the researches of the transverse cofferdam have not been seriously considered, the results differ a lot from the equipment manufacture (e.g. GTT) of the membrane cofferdam system. This paper performs the temperature fi eld analysis of the transverse cofferdam of the membrane tank LNG caries, puts forward a simplified calculation method, and deduces a set of simplified functions of natural convection coef fi cient. By comparison with the results provided by GTT, the proposed method is testi fi ed to be feasible to ensure the suf fi cient calculation accuracy.

membrane tank LNG Carrier; transverse cofferdam; temperature fi eld; natural convection coef fi cient

U661.4

A

1001-9855（2014）03-0020-06

2013-08-22 ；

2013-09-28

呂立偉（1982-），男，工程師，主要從事船舶設(shè)計與研究工作。

吳嘉蒙（1976-），男，碩士，高級工程師，主要從事船舶設(shè)計與研究工作。

余勇華（1976-），男，工程師，主要從事技術(shù)管理工作。