冰級(jí)船海水管路冰塞的影響因素分析與改進(jìn)

徐 立，湯 冰，張來來，江煥寶

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

技術(shù)交流

冰級(jí)船海水管路冰塞的影響因素分析與改進(jìn)

徐 立，湯 冰，張來來，江煥寶

(武漢理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

針對(duì)極地和渤海灣地區(qū)冰期大量細(xì)小海冰隨水流進(jìn)入海水管道引起的冰塞問題，以極地運(yùn)輸船海水冷卻系統(tǒng)為研究對(duì)象，文章利用Fluent軟件分別對(duì)水平直管和法向彎管進(jìn)行冰水兩相流數(shù)值模擬，分析在不同入口流速與內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度的條件下，水平直管和法向彎管對(duì)海水-冰晶兩相流換熱影響的關(guān)鍵因素，以及海水管道內(nèi)海水-冰晶換熱分布情況。利用仿真分析結(jié)果，針對(duì)海水系統(tǒng)提出了防冰塞改進(jìn)措施。

海水系統(tǒng)；海水-冰晶兩相流；數(shù)值模擬；防冰塞改進(jìn)

在極地和渤海灣地區(qū)冬季低溫環(huán)境下，船舶航行時(shí)船舶輔機(jī)設(shè)備為了減少高溫影響，內(nèi)循環(huán)冷卻系統(tǒng)會(huì)利用外部海水參與冷卻循環(huán)，達(dá)到海水管道換熱的理想狀態(tài)。而大量細(xì)小的海冰會(huì)順?biāo)鬟M(jìn)入海水管道系統(tǒng)，形成海水-冰晶兩相流，影響海水管道系統(tǒng)運(yùn)行特性。大量堆積冰體會(huì)造成輔機(jī)的冷卻管路堵塞，嚴(yán)重時(shí)造成冷卻器癱瘓，冷卻水溫過高，最后輔機(jī)不能正常工作，造成船舶動(dòng)力系統(tǒng)癱瘓而失控。文章研究的極地運(yùn)輸船海水冷卻管路是經(jīng)過一般防冰設(shè)計(jì)改進(jìn)后的管路系統(tǒng)(如圖1所示)，其擁有獨(dú)立于海水艙之外的壓載水艙來應(yīng)急存儲(chǔ)海水，并在壓載水艙外側(cè)加裝特定的管道、附件和閥門，使冷卻海水在壓載水艙和上述管道間循環(huán)。這種改進(jìn)不僅能夠“攪拌”壓載水艙里的海水，降低海水結(jié)冰的可能，還能在通海閥箱冰堵的情況下，冷卻壓載水艙。該管路系統(tǒng)還在內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)加裝了蒸汽或熱水加熱管。

1-水線；2-蒸汽或熱水加熱管；3-海水艙；4-出入艙口；5-隔離閥；6-過濾器。圖1 帶海水冷卻循環(huán)的海水系統(tǒng)

1 海水-冰晶模型

文章研究環(huán)境近似于渤海灣冬季和北極夏季，參考極地地區(qū)冰晶的生長(zhǎng)機(jī)制[1]，將海水視為不可壓縮均質(zhì)流體，取冰晶直徑為0.003 m。根據(jù)“永盛”輪航行記錄與我國(guó)第4次北極科學(xué)考察報(bào)告的資料，查得海水、冰晶的熱物理性質(zhì)如表1所示。取海水管道中最具典型的水平直管和法向彎管作為仿真模型，模型參數(shù)如表2所示。

表1 海水和冰晶熱物理性質(zhì)表

表2 海水管道模型參數(shù)

2 海水管道的仿真模擬

利用CFD軟件中的Icem和Fluent分別對(duì)海水管道進(jìn)行建模與仿真。為了更好地研究海水-冰晶兩相流在水平直管與法向彎管內(nèi)的換熱情況，選擇合適的內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度邊界和海水入口流速參數(shù)，通過控制變量來對(duì)比它們對(duì)管道內(nèi)兩相流流體的換熱影響程度。其中Determinant 2×2×2的網(wǎng)格質(zhì)量均布0.55～1.0，Angle網(wǎng)格質(zhì)量均布45°～90°,冰晶的重力方向?yàn)?Z，大小g=-9.8 m/s2。

參考運(yùn)輸船相關(guān)資料[2]，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度一般維持在303.15～ 358.15 K(即30～85 ℃)，文章基于極地運(yùn)輸船海水管道系統(tǒng)，在極地環(huán)境下內(nèi)循環(huán)溫度要低于這個(gè)參考值。設(shè)定內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度邊界T=320 K，入口海水速度V=1.000 m/s，入口冰晶速度Va=0.100 m/s，進(jìn)行Fluent仿真，得到水平直管和法向彎管的速度云圖和換熱云圖，其特征表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)。

1) 在內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度邊界T=320 K，入口海水速度V=1.000 m/s，入口冰晶速度Va=0.100 m/s條件下，水平直管的換熱不如法向彎管充分，水平直管入口段和法向彎管的轉(zhuǎn)角處一段區(qū)域冰晶速度為0 m/s，此處易發(fā)生冰堵現(xiàn)象。

2) 通過2個(gè)管道的入口區(qū)域和法向彎管的轉(zhuǎn)角處的速度云圖與換熱云圖可以清楚地發(fā)現(xiàn)：在速度較快區(qū)域，換熱程度較低。

3) 海水-冰晶兩相流體的顆粒分布均勻程度影響換熱。海水管道入口段換熱較均勻，因?yàn)楹１亓Φ挠绊懀?個(gè)管道末段出現(xiàn)明顯的換熱不均。

3 數(shù)據(jù)分析

通過控制變量，測(cè)出水平直管和法向彎管在不同內(nèi)循環(huán)溫度和入口流速條件下的管壁平均換熱系數(shù)，對(duì)比分析其換熱分布和流通狀態(tài)。

3.1 內(nèi)循環(huán)溫度對(duì)兩相流換熱的影響

控制入口海水速度V=1.000 m/s，入口冰晶速度Va=0.100 m/s，分別計(jì)算出水平直管和法向彎管在內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度邊界T=300 K、T=320 K、T=340 K、T=360 K時(shí)，管壁的平均換熱系數(shù)。其數(shù)據(jù)如表3、表4所示。

表3 給定內(nèi)循環(huán)溫度下水平直管的管壁平均換熱系數(shù)

表4 給定內(nèi)循環(huán)溫度下法向彎管的管壁平均換熱系數(shù)

不同內(nèi)循環(huán)溫度下的管壁平均換熱系數(shù)對(duì)比折線圖見圖2。

圖2 不同內(nèi)循環(huán)溫度下的管壁平均換熱系數(shù)

通過對(duì)比折線圖可以發(fā)現(xiàn)：法向彎管的管壁換熱系數(shù)受內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度的影響要高于水平彎管，尤其在內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度超過340 K時(shí)，其管壁平均換熱系數(shù)開始明顯高于水平直管，內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度為在360 K時(shí)，達(dá)到水平直管平均換熱系數(shù)的5倍，因此在法向彎管處不僅要考慮換熱對(duì)冰塞形成的影響，還要考慮該處管路配件腐蝕與維護(hù)問題。

3.2 入口流速對(duì)換熱的影響

控制內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度邊界T=320 K，分別測(cè)出水平直管和法向彎管在不同入口海水速度及入口水晶速度下的管壁平均換熱系數(shù)，見表5、表6。

表5 水平直管給定入口流速下的管壁平均換熱系數(shù)

表6 法向彎管給定入口流速下的管壁平均換熱系數(shù)

不同入口流速下的管壁平均換熱系數(shù)對(duì)比折線圖，見圖3。

圖3 不同入口流速下的管壁平均換熱系數(shù)

通過對(duì)比折線圖可以發(fā)現(xiàn)：水平直管和法向彎管的管壁換熱系數(shù)隨入口流速的增大而降低，并且水平直管受流速的影響要小于法向彎管。但在海水流速超過1.500 m/s后，其管壁平均換熱系數(shù)趨于平穩(wěn)，無明顯變化。因此，利用增大入口流速來增加換熱系數(shù)的效果有限，并且入口流速的增大會(huì)引起冰晶顆粒的流量和質(zhì)量的增大，水平直管與法向彎管的磨損也會(huì)相應(yīng)增大。

3.3 兩相流冰晶顆粒分布對(duì)換熱的影響

海水流速的增大會(huì)引起海水-冰晶兩相流流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，觀察在內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)溫度邊界T=320 K，入口海水速度V=1.500 m/s，入口冰晶速度Va=0.127 m/s條件下法向彎管的速度和換熱情況。不同海水流速情況下，海水-冰晶兩相流的換熱情況與顆粒分布情況保持一致。在法向彎管入口段和出口段，流動(dòng)較平穩(wěn)均勻，換熱充分；在轉(zhuǎn)角處海水-冰晶兩相流體強(qiáng)制對(duì)流明顯加強(qiáng)，換熱減弱。因此該區(qū)域不僅換熱程度低易發(fā)生冰塞現(xiàn)象，而且強(qiáng)制對(duì)流明顯，對(duì)管路設(shè)備損耗大。

4 改進(jìn)措施

針對(duì)極地船海水管道冰塞問題，參考挪威船級(jí)社(DNV)和美國(guó)船級(jí)社(ABS)頒布的部分冰區(qū)加強(qiáng)型船舶設(shè)計(jì)規(guī)范，可以對(duì)極地船海水管道做出如下改進(jìn)。

1)所有PC1～PC5冰級(jí)船，吸入管道的設(shè)計(jì)流速都不能超過2.000 m/s，船舶航行工況若需要大量海水參與冷卻，只能通過增加吸入海水的管道數(shù)目或增大管徑的方式。

2)海水吸入管道應(yīng)布置在船尾附近靠近中線的位置，海底門的布置盡量放低，以減少浮冰的吸入。另外應(yīng)設(shè)置高位海底門，防止進(jìn)入渤海灣地區(qū)淺水航道時(shí)，大量泥沙進(jìn)入海水管路。

3)采用最新的SEA BAY海水冷卻系統(tǒng)的海水箱，這種海水箱下部稱作海水箱進(jìn)水口，直接聯(lián)通主甲板；其海水沉淀箱與海水總管連接；所有的設(shè)備都由海水冷卻泵直接從海底沉淀箱取水冷卻。海水箱上部稱作SEA BAY，其與海水箱進(jìn)水口直通往主甲板，并設(shè)置了人孔蓋。因?yàn)楦”拿芏刃∮诤Ｋ?，浮冰進(jìn)入海底門后直接進(jìn)入SEA BAY區(qū)域。采用SEA BAY海水冷卻系統(tǒng)，能夠極大地減少進(jìn)入海水總管的浮冰，對(duì)于進(jìn)入海水沉淀箱的少量冰晶，大多數(shù)在機(jī)艙區(qū)域就能融化而不影響各種冷卻設(shè)備。SEA BAY海水冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SEA BAY海水冷卻系統(tǒng)

4)在法向彎管的轉(zhuǎn)角處設(shè)置堰板或隔離板可以減少海水進(jìn)口管被冰堵塞的可能。另外將蒸汽加

熱盤管或伴熱帶安裝在隔離閥、海水艙以及其他法向彎管轉(zhuǎn)角處附近，以便在極端低溫情況下達(dá)到除冰的目的。

5)在冰級(jí)船海水系統(tǒng)中所使用的附件、管路和閥的標(biāo)準(zhǔn)件，尤其是法向彎管轉(zhuǎn)角處的標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)避免使用鑄鐵材料。根據(jù)上述分析以及冰區(qū)航行經(jīng)驗(yàn)，由于鑄鐵材料的脆性，海水管道中在螺旋槳與冰的相互作用下所產(chǎn)生的振動(dòng)以及海水-冰晶強(qiáng)制對(duì)流的沖擊影響下，極易造成損壞。

[1] Yoshikazu Teraoka, Akio Saito,Seiji Okawa. Ice Crystal Growth in Super Cooled Solution[J]. International Journal of Refrigeration,2002,25(2)：218-225.

[2]張立文.船舶柴油機(jī)冷卻水溫度控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].大連：大連海事大學(xué),2010.

For problems of ice berg aroused by a large amount of small ice-sea flowing into seawater pipes at polar and low temperature of the BOHAI Bay area, object of the study is based on sea water pipe system with seawater circulating cooling in polar cargo ship, models of straight pipe and normal bend are numerical simulation analyzed by software Fluent, the analysis includes key factors affecting the ice-sea two-phase flow under different conditions of circulating water temperature and water flow rate, and the heat distribution of ice-sea two-phase flow in the seawater pipes. By numerical simulation results, it can be proposed anti-ice berg improvement in seawater system.

seawater system; ice-sea two-phase flow; numerical simulation; anti-ice berg improvement

國(guó)家自然科學(xué)基金(51479152)

徐立(1975-)，男，湖北武漢人，副教授，博士，研究方向?yàn)榇扒鍧嵞茉醇夹g(shù)應(yīng)用、船舶動(dòng)力裝置性能分析。

U664.81+4

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.003

2016-03-09