復(fù)雜船舶圍壁傳熱系數(shù)取值探討

李偉光，李安邦，徐新華，張揚(yáng)，謝軍龍

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 2華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074

復(fù)雜船舶圍壁傳熱系數(shù)取值探討

李偉光1，李安邦2，徐新華2，張揚(yáng)1，謝軍龍2

1中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢430064 2華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074

采用數(shù)值模擬軟件對(duì)幾種復(fù)雜船舶圍壁進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱計(jì)算，并將計(jì)算所得圍壁傳熱系數(shù)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，采用數(shù)值方法計(jì)算得到的復(fù)雜船舶圍壁傳熱系數(shù)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提供的參考值相比差異很大。計(jì)算結(jié)果也表明：空氣層厚度對(duì)船舶甲板圍壁的傳熱系數(shù)影響較大，而對(duì)垂直圍壁的傳熱系數(shù)影響較??；隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)垂直圍壁的傳熱系數(shù)影響較大，而對(duì)甲板圍壁傳熱系數(shù)的影響較小。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)直接籠統(tǒng)地給出了各種類型船舶圍壁的傳熱系數(shù)，而對(duì)圍壁空氣層厚度及隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)等未作詳細(xì)說明，在對(duì)圍壁傳熱量進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)推薦的傳熱系數(shù)會(huì)出現(xiàn)較大偏差，建議針對(duì)具體的船舶圍壁，通過數(shù)值模擬或?qū)嶒?yàn)來獲取圍壁傳熱系數(shù)。

船舶；圍壁；數(shù)值計(jì)算；傳熱系數(shù)

0 引 言

當(dāng)今世界，能源問題已成為各個(gè)國家密切關(guān)注的問題，上世紀(jì)的3次石油危機(jī)對(duì)西方國家經(jīng)濟(jì)的嚴(yán)重沖擊引發(fā)了世界各國對(duì)能源問題的警醒，各種與節(jié)能減排相關(guān)的法律法規(guī)及發(fā)展策略陸續(xù)出臺(tái)。實(shí)施節(jié)能減排是順應(yīng)時(shí)代發(fā)展趨勢(shì)、符合我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的一項(xiàng)必要舉措?！洞肮I(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》中的數(shù)據(jù)顯示：2010年我國造船完工量為6 560萬載重噸，躍居世界第一，國際市場(chǎng)占有率達(dá)43.6%，完成工業(yè)增加值1 662億元，增加值占工業(yè)總產(chǎn)值的比重達(dá)24%。要想在激烈的國際競(jìng)爭(zhēng)中獲得長久的勝利，就必須進(jìn)一步提高我國的造船技術(shù)，而在國際能源供應(yīng)緊張、環(huán)境問題日趨嚴(yán)重的大背景下，高效的船舶節(jié)能技術(shù)是增強(qiáng)船舶核心競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)重要因素。

船舶空調(diào)系統(tǒng)的能耗是整個(gè)船舶能耗的一個(gè)重要部分，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗是實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排的一項(xiàng)重要途徑。船舶空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要為空調(diào)系統(tǒng)在消除艙室內(nèi)冷、熱負(fù)荷，維持艙內(nèi)溫度所需消耗的能量，準(zhǔn)確的空調(diào)負(fù)荷計(jì)算是設(shè)備合理選型并實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵。計(jì)算船舶空調(diào)負(fù)荷時(shí)，通過船舶圍壁傳入室內(nèi)的熱量與圍壁的傳熱系數(shù)近似成正比，因此，選取準(zhǔn)確的船舶圍壁傳熱系數(shù)至關(guān)重要。文獻(xiàn)［1］介紹了船舶圍壁傳熱系數(shù)的簡(jiǎn)化算法，該算法是將帶有梁（扶強(qiáng)材）的甲板或垂直艙壁看成是帶有肋片的傳熱面來計(jì)算其傳熱系數(shù)，并在計(jì)算船舶圍壁隔熱結(jié)構(gòu)時(shí)將空氣層中的對(duì)流換熱簡(jiǎn)化成已知對(duì)流換熱系數(shù)的邊界條件，同時(shí)忽略空氣的熱阻。目前，在實(shí)際工程計(jì)算中，為更簡(jiǎn)便、快速地確定船舶圍壁的傳熱系數(shù)，一般直接參考 GB/T 13409-92［2］中的推薦值。但該標(biāo)準(zhǔn)僅給出了各類船舶圍壁的傳熱系數(shù)，并沒有對(duì)船舶圍壁的尺寸、空氣層厚度以及絕熱材料的物理特性參數(shù)等作詳細(xì)說明，而這些因素均對(duì)船舶圍壁的傳熱有影響。

數(shù)值模擬方法是通過計(jì)算機(jī)上虛擬的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并獲取“實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)”，用數(shù)值模擬代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)可以極大地提高工作效率、降低成本。文獻(xiàn)［3-6］針對(duì)傳熱分析問題，將真實(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬得出的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)采用數(shù)值模擬方法得出的結(jié)果具有較高的可信度。文獻(xiàn)［7］建立了內(nèi)嵌管式輻射地板的二維數(shù)值模型，其采用數(shù)值模擬方法獲取的結(jié)果驗(yàn)證了內(nèi)嵌管式輻射地板傳熱簡(jiǎn)化計(jì)算模型的正確性。文獻(xiàn)［8］建立了U形地埋管換熱器的三維數(shù)值模型（采用FLUENT），把數(shù)值解分別與解析解以及TRNSYS中的DST模型進(jìn)行對(duì)比，得出利用數(shù)值模型的瞬時(shí)傳熱模擬結(jié)果具有較高的精確度。本文將采用數(shù)值模擬方法對(duì)復(fù)雜船舶圍壁進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的傳熱模擬計(jì)算，研究空氣層厚度、絕熱材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)船舶圍壁傳熱的影響，并與GB/T 13409-92［2］中提供的船舶傳熱系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

1 相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)中復(fù)雜船舶圍壁傳熱系數(shù)取值

GB/T 13409-92［2］中列出了不同船舶圍壁（甲板、垂直艙壁）隔熱結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)（包括圍壁內(nèi)、外表面與空氣的傳熱）計(jì)算值，以供參考。本文摘取了其中比較典型的幾種隔熱結(jié)構(gòu)，并將其各自的結(jié)構(gòu)形式、絕熱材料和傳熱系數(shù)列入表1，絕熱材料的熱物理特性參數(shù)如表2所示。由表1可以看出，GB/T 13409-92［2］中沒有對(duì)船舶圍壁隔熱結(jié)構(gòu)的具體尺寸和空氣層厚度進(jìn)行說明，由表2可以看出，對(duì)于巖棉這種隔熱材料，不同密度對(duì)應(yīng)的導(dǎo)熱系數(shù)也有差別，而表1中卻沒有指明隔熱結(jié)構(gòu)所用的巖棉參數(shù)。

2 復(fù)雜船舶圍壁傳熱數(shù)值模擬方法

2.1 物理模型及邊界條件

FLUENT是個(gè)功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的有限體積法數(shù)值計(jì)算軟件，可用于涉及流體、熱傳遞等工程問題的計(jì)算分析。本文采用FLUENT軟件對(duì)復(fù)雜船舶圍壁進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)傳熱模擬，計(jì)算內(nèi)容包括固體（甲板、隔熱材料等）導(dǎo)熱與氣體（空氣層）自然對(duì)流換熱2部分，而對(duì)于此類對(duì)流與導(dǎo)熱耦合問題，已有不少文獻(xiàn)運(yùn)用數(shù)值方法進(jìn)行過求解并獲得了較好的計(jì)算結(jié)果［9-10］。研究的物理模型如圖1所示，其圍壁內(nèi)、外表面換熱系數(shù)分別為8 W/（m2·℃）和80 W/（m2·℃）［2］，艙外空氣溫度To=40℃，艙內(nèi)溫度為Tin=26℃，并將圍壁的空氣夾層看作封閉的空腔，整個(gè)模型的左、右邊界均為絕熱面。模型隔熱材料的厚度為δ、內(nèi)壁厚度為δ*，空氣層厚度為L，這3個(gè)參數(shù)將作為變量討論船舶圍壁的傳熱。其余尺寸采用常用的參數(shù)（單位為mm）并在圖1中給出。

圖1 船舶圍壁物理模型Fig.1 Physical model of ship casing walls

表1 GB/T 13409-92［2］中船舶隔熱結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)取值Tab.1 Heat transfer coefficients of ship insulation structure provided by GB/T 13409-92［2］

表2 圍壁材料的熱物理特性參數(shù)Tab.2 Material physical parameters of ship casing walls

2.2 控制方程及數(shù)值計(jì)算模型

對(duì)固體區(qū)域，采用二維導(dǎo)熱方程，如式（1）所示。氣體區(qū)域的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程如式（2）～式（5）所示。對(duì)動(dòng)量方程，在 x方向如式（3）所示，在 y方向考慮浮力的影響如式（4）所示。

式中：Τ為溫度；u，v分別為速度在x，y方向上的分量；ρ為空氣密度；μ為空氣動(dòng)力粘性系數(shù)；λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；cp為空氣定壓比熱；g為重力加速度。

空氣層內(nèi)的空氣處于自然對(duì)流狀態(tài)，可通過將空氣密度設(shè)定為關(guān)于溫度的函數(shù)來求解，但對(duì)于計(jì)算域內(nèi)空氣密度變化較?。夭钶^?。┑那闆r，運(yùn)用Boussinesq假設(shè)可以加快收斂［11］。Boussinesq假設(shè)一般適用于空氣介質(zhì)溫差在30℃以內(nèi)的自然對(duì)流問題［12］，該假設(shè)忽略了流體中的粘性耗散，物理特性參數(shù)中除密度外其余均為常數(shù)，且密度的變化僅考慮了動(dòng)量方程中的浮升力項(xiàng)，其余各項(xiàng)中的密度均視為常數(shù)［13］。已有很多文獻(xiàn)采用Boussinesq假設(shè)研究過空腔內(nèi)氣體的自然對(duì)流問題。文獻(xiàn)［14］在用FLUENT軟件對(duì)封閉空腔內(nèi)的空氣自然對(duì)流進(jìn)行模擬時(shí)采用Boussinesq假設(shè)，得出了很準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。文獻(xiàn)［15］通過對(duì)封閉方腔內(nèi)自然對(duì)流問題的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了Boussinesq假設(shè)在計(jì)算20℃的小溫差自然對(duì)流換熱時(shí)是合理的。本文進(jìn)行數(shù)值模擬的船舶圍壁內(nèi)空氣層的表面溫差不超過20℃，因此，可以采用Boussinesq假設(shè)，即重力方向上的動(dòng)量方程中的浮升力項(xiàng)ρβ(T-T0)g是關(guān)于溫度T的線性函數(shù)。

通過GAMBIT軟件建立不同的船舶圍壁模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分（采用結(jié)構(gòu)型均勻網(wǎng)格）。在FLUENT中設(shè)置空氣的密度時(shí)選中Boussinesq假設(shè)，空氣的膨脹系數(shù) β0=0.003 23 K-1，參考溫度T0=33℃（取圍壁外表面溫度和內(nèi)表面溫度的平均值），壓力—速度耦合方程用SIMPLE算法，動(dòng)量、能量方程選擇二階迎風(fēng)格式，對(duì)流擴(kuò)散采用QUICK模式，用式（6）計(jì)算瑞利數(shù) Ra，如果 Ra＞108就使用k-ε模型，如果 Ra＜108就使用層流模型。改變船舶圍壁的空氣層厚度（150，200 mm）和圍壁隔熱材料，通過FLUENT軟件模擬計(jì)算得出了表1中所列的船舶圍壁的溫度分布以及傳熱量，并可直接計(jì)算傳熱系數(shù)。圖2所示為空氣層厚度為150 mm、巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)為0.045 W/（m·℃）的B圍壁（甲板圍壁）的溫度分布；圖3所示為空氣層厚度為150mm、巖棉的導(dǎo)熱系數(shù)為0.045W/（m·℃）的E圍壁（垂直圍壁）的溫度分布。

式中：ΔT為空氣層上、下壁面的溫差；L為空氣層厚度；α為熱擴(kuò)散率。

圖2 B圍壁溫度云圖Fig.2 Temperature contours of casing wall B

圖3 E圍壁溫度云圖Fig.3 Temperature contours of casing wall E

3 結(jié)果比較及分析

3.1 空氣層厚度對(duì)甲板傳熱的影響

表3所示為各種船舶圍壁在空氣層厚度為150，200 mm情況下的傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果。從表中可以看出，無論哪種圍壁，GB/T 13409-92［2］推薦的船舶圍壁傳熱系數(shù)與數(shù)值模擬計(jì)算出的傳熱系數(shù)均相差很大，前者甚至是后者的幾倍。按照GB/T 13409-92［2］推薦的傳熱系數(shù)進(jìn)行取值并進(jìn)行負(fù)荷計(jì)算很保守。同時(shí)，表3也表明空氣層厚度對(duì)甲板（即水平方向）圍壁傳熱系數(shù)的影響很明顯，而對(duì)垂直圍壁傳熱系數(shù)的影響則幾乎可以忽略。垂直圍壁的傳熱系數(shù)普遍比甲板傳熱系數(shù)大幾倍，尤其是B，E兩種圍壁，其尺寸以及保溫材料均相同，但傳熱系數(shù)卻相差很大。這主要是因?yàn)榭諝鈱拥膫鳠釤嶙璨粌H與其厚度有關(guān)，還與空氣層中的自然對(duì)流強(qiáng)弱有關(guān)，而這兩種圍壁空氣層中自然對(duì)流換熱的強(qiáng)弱又有較大的差異。從自然對(duì)流產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行分析，因空氣層內(nèi)的氣體內(nèi)部存在溫度差，使得氣體內(nèi)部的密度也出現(xiàn)差異，密度小的氣體上升，密度大的氣體下沉，從而形成自然對(duì)流［16］。對(duì)于甲板圍壁，其上側(cè)的溫度高于下側(cè)溫度，使得空氣層內(nèi)上側(cè)的空氣密度小于下側(cè)的空氣密度，因此幾乎不產(chǎn)生自然對(duì)流。而垂直圍壁因左、右兩側(cè)存在溫度差，冷面附近的空氣遇冷會(huì)下沉，熱面附近的空氣受浮力的作用會(huì)上升，從而形成空氣的自然對(duì)流并通過空氣的循環(huán)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)換熱。因此，垂直圍壁的傳熱系數(shù)一般會(huì)明顯大于甲板圍壁的傳熱系數(shù)。

3.2 隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)甲板傳熱的影響

表4所示為A，E兩種船舶圍壁在幾組不同巖棉導(dǎo)熱系數(shù)（密度）情況下的傳熱系數(shù)計(jì)算結(jié)果。由表4的結(jié)果可以看出，對(duì)于A，E兩種圍壁，所使用隔熱材料（巖棉）的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)圍壁傳熱系數(shù)存在一定的影響，并且隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)E圍壁（垂直圍壁）的影響比對(duì)A圍壁（甲板圍壁）的更為明顯一些。例如：表 4中 A圍壁在 λ巖棉=0.045，0.038 W/（m·℃）兩種情況下的傳熱系數(shù)相差2.6%，E型圍壁在λ巖棉=0.045，0.038 W/（m·℃）兩種情況的傳熱系數(shù)相差11.8%。由第3.1節(jié)的分析可知，水平圍壁（甲板）內(nèi)空氣層中幾乎無自然對(duì)流，因而可近似看成純導(dǎo)熱，而垂直圍壁內(nèi)空氣層中的自然對(duì)流換熱很明顯，改變隔熱材料部分的導(dǎo)熱熱阻會(huì)改變空氣層邊界的溫度，從而影響空氣層內(nèi)自然對(duì)流換熱的強(qiáng)弱。此外，垂直圍壁的總熱阻一般較水平圍壁（甲板）的總熱阻小，更換不同導(dǎo)熱系數(shù)的巖棉（改變隔熱材料部分的導(dǎo)熱熱阻）對(duì)總熱阻值較小的垂直圍壁的影響要更明顯一些。

表3 不同空氣層厚度對(duì)應(yīng)的船舶圍壁傳熱系數(shù)Tab.3 Heat transfer coefficients of ship casing walls with different air layer thicknesses

表4 不同導(dǎo)熱系數(shù)的隔熱材料（巖棉）對(duì)應(yīng)的船舶圍壁傳熱系數(shù)Tab.4 Heat transfer coefficients of ship casing walls with different insulations of various thermal conductivity

4 結(jié) 語

本文采用數(shù)值模擬軟件對(duì)多種船舶復(fù)雜圍壁進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)的傳熱模擬并獲得了圍壁的總傳熱系數(shù)，而有關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)推薦的船舶圍壁傳熱系數(shù)與數(shù)值模擬得出的傳熱系數(shù)則相差很大，該標(biāo)準(zhǔn)推薦的圍壁傳熱系數(shù)偏差較大。另外，該標(biāo)準(zhǔn)在給出某一種船舶圍壁的總傳熱系數(shù)時(shí)也未對(duì)該種船舶圍壁的空氣層厚度、隔熱材料熱物理特性參數(shù)等給予具體的說明。本文通過模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，空氣層厚度對(duì)甲板圍壁傳熱系數(shù)的影響比較明顯而對(duì)垂直圍壁傳熱系數(shù)的影響很小，隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)垂直圍壁傳熱系數(shù)的影響比較明顯而對(duì)甲板圍壁傳熱系數(shù)的影響很小。因此，在選取船舶圍壁傳熱系數(shù)時(shí)，應(yīng)充分考慮船舶圍壁空氣層厚度和隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)圍壁傳熱系數(shù)的影響。采用標(biāo)準(zhǔn)中推薦的船舶圍壁傳熱系數(shù)計(jì)算圍壁傳熱量來進(jìn)行空調(diào)設(shè)備選型會(huì)過于保守，建議采用數(shù)值模擬計(jì)算圍壁的傳熱系數(shù)來計(jì)算圍壁的傳熱量。

［1］船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)冷藏通風(fēng)編寫組.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)冷藏通風(fēng)分冊(cè)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1975.

［2］中華人民共和國國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 13409-92船舶起居處所空氣調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)和計(jì)算方法［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

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Heat Transfer Coefficient of Complex Ship Casing Walls

LI Weiguang1，LI Anbang2，XU Xinhua2，ZHANG Yang1，XIE Junlong2

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 School of Environmental Science&Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

In this paper，the steady heat transfer characteristics of complex ship casing walls are calculated via numerical simulation softwares，and the obtained heat transfer coefficients are compared with relevant standards.Large differences are observed between the two sets of coefficients.On the one hand，simulation results indicate that the thickness of the air layer may greatly influence the heat transfer coefficient of decks（horizontal walls），while such obvious influence is not observed for vertical walls；moreover，the thermal conductivity of the insulation material has far more influences on the heat transfer coefficient of vertical walls than decks（horizontal walls）.On the other hand，such information is not described in detail in the standard，and as a result，using the coefficients provided by the standard can lead to large margin of error when studying the heat transfer properties of ship casing walls.In short，the numerical simulation approach is seen to be more robust and reliable.

ship；casing wall；numerical simulation；heat transfer coefficient

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.014

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.014.html

U664.5+1

A

1673－3185（2014）02－78－06

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

2013－06－16 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2014-3-31 16:33

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51178201）；教育部高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（20120142110078）

李偉光（1982－），男，碩士，工程師。研究方向：船舶輔助系統(tǒng)。E-mail：lwgabe＠gmail.com

徐新華（1972－），男，博士，教授。研究方向：圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱濕特性，空調(diào)系統(tǒng)模擬與控制。E-mail：bexhxu＠hust.edu.cn

李偉光

［責(zé)任編輯：盧圣芳］