冰晶對(duì)極地船海水冷卻管路兩相流換熱規(guī)律的影響

張來來，徐　立，江煥寶，黃振飛，湯　冰

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 a.高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.可靠性工程研究所，武漢 430063)

?

冰晶對(duì)極地船海水冷卻管路兩相流換熱規(guī)律的影響

張來來a,b，徐立a,b，江煥寶a,b，黃振飛a,b，湯冰a,b

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院 a.高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.可靠性工程研究所，武漢 430063)

針對(duì)極地運(yùn)輸船海水冷卻管路不同含冰率情況下冰塞形成問題，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法，計(jì)算分析14 500 t散貨船部分水平海水冷卻管路兩相流流動(dòng)特征，揭示管內(nèi)冰晶運(yùn)動(dòng)速度分布與平均努塞爾數(shù)大小變化及管內(nèi)是否存在不發(fā)生冰塞的平均含冰率區(qū)間。仿真結(jié)果表明，冷卻管路平均含冰率超過7%會(huì)造成管內(nèi)冰塞。與以往實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比說明，極地航行時(shí)該散貨船海水冷卻管路確實(shí)存在最優(yōu)含冰率區(qū)間，其最優(yōu)平均含冰率控制區(qū)間為2%～6%。

極地船；冷卻管路；海水-冰晶兩相流；平均含冰率區(qū)間；FLUENT仿真；換熱

船舶在極地低溫海冰區(qū)運(yùn)行時(shí)，會(huì)有大量細(xì)小冰晶順?biāo)鬟M(jìn)入海水冷卻系統(tǒng)中，而海水冷卻管道內(nèi)冰晶所占比重(即含冰率)的多少會(huì)直接影響管壁換熱程度和管道堵塞，適當(dāng)?shù)暮Ｋ?冰晶混合能加強(qiáng)換熱效果，但是冰晶含量相對(duì)較多時(shí)會(huì)造成管道堵塞[1]。為使極地運(yùn)輸船海水冷卻系統(tǒng)在北極冰區(qū)高效穩(wěn)定運(yùn)行，避免發(fā)生大量堆積冰造成海水冷卻管路堵塞和換熱效率低下，甚至出現(xiàn)極地船動(dòng)力系統(tǒng)癱瘓而失控的現(xiàn)象，合理控制含冰率的大小對(duì)極地運(yùn)輸船冷卻系統(tǒng)換熱大小和船舶動(dòng)力裝置的正常運(yùn)行有極其重要的作用。目前，國際上針對(duì)船舶換熱器管道換熱的研究大都涉及船舶海水冷卻管殼式換熱器結(jié)垢換熱性能分析及熱交換器的最佳傳熱等[2-3]，國內(nèi)有學(xué)者結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)方法，以管內(nèi)冰晶和水溶液兩相中含冰率大小為變化參數(shù)，研究冰晶在管道內(nèi)流動(dòng)阻力及換熱效果[4-5]，研究的對(duì)象是普通水溶液與冰晶。然而海水與冰晶作為流動(dòng)介質(zhì)，在冷卻管內(nèi)流動(dòng)換熱影響是研究的主要內(nèi)容。為此，根據(jù)14 500 t散貨船海水冷卻系統(tǒng)在極地航行時(shí)的設(shè)計(jì)要求，針對(duì)海水冷卻管道內(nèi)冰晶含量過大會(huì)造成冰塞的現(xiàn)象，提出以冷卻管內(nèi)含冰率為主被控量、冰晶在冷卻管內(nèi)速度分布為因變量，運(yùn)用模擬分析數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)對(duì)比，選擇合適的冷卻管內(nèi)平均含冰率區(qū)間。

1　流體參數(shù)及管道模型

根據(jù)仿真控制變量要求，海水冷卻管道入口速度壓力必須控制為定量，以保證冷卻系統(tǒng)中換熱的正確性。由于海水冷卻管道在不同船型中布置形式有所不同，為了方便分析海水-冰晶兩相流體換熱特性，以下首先建立海水-冰晶熱物性參數(shù)及部分水平海水冷卻換熱管道數(shù)學(xué)模型。

1.1海水冰晶熱物性參數(shù)

海水和淡水相比，海水-冰晶主要的熱物理性質(zhì)隨溫度和鹽度的變化較大，并且其很多熱物性的變化規(guī)律都不是簡(jiǎn)單的線性規(guī)律，而海水冷卻管內(nèi)溫差維持在5 K左右，這對(duì)海水-冰晶熱物性相關(guān)參數(shù)影響很小。

根據(jù)我國商船“永盛輪”第4次北極實(shí)地航行(2013-2015年)的科學(xué)考察數(shù)據(jù)，北極海冰的平均鹽度均在0.4%以下，海水-冰晶流動(dòng)介質(zhì)在極地環(huán)境下(一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，鹽度為0.4%)冷卻管內(nèi)流動(dòng)換熱影響主要由密度、比定壓熱容、導(dǎo)熱系數(shù)及運(yùn)動(dòng)粘度決定，具體熱物性參數(shù)見表1[6]。

根據(jù)表1的熱物性參數(shù)，在FLUENT平臺(tái)上創(chuàng)建海水-冰晶兩相流流體，并且利用這些物性參數(shù)，模擬不同含冰率在冷卻管內(nèi)流動(dòng)換熱情況。

1.2水平海水冷卻管道模型

根據(jù)“永盛輪”航行日記[7]，取14 500 t散貨船海水系統(tǒng)中水平海水冷卻管道為研究對(duì)象，殼程入口采用速度邊界條件，出口為壓力邊界條件，管外淡水系統(tǒng)平均溫度設(shè)為320 K，管壁采用標(biāo)準(zhǔn)鋼材(12Cr1MoV無縫鋼管)。水平海水冷卻管道具體尺寸及入口速度等參數(shù)見表2。

表1　流動(dòng)介質(zhì)熱物性參數(shù)

表2　水平海水冷卻管道相關(guān)參數(shù)

根據(jù)兩相流體的熱物理性質(zhì)的變化特點(diǎn)，利用海水-冰晶兩相流換熱的數(shù)學(xué)模型及控制方程，分析海水-冰晶兩相流體在水平海水冷卻管道(見圖1)，其中冰晶的重力g=-9.8 m/s2，方向?yàn)?Z)中的換熱情況，找到兩相流體與淡水系統(tǒng)傳熱的換熱系數(shù)變化規(guī)律。

圖1　水平海水冷卻管道

為簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)流體作如下假設(shè)：①流體流動(dòng)狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)；②采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型；③采用SIMPLIC 算法求解耦合速度場(chǎng)；④近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。計(jì)算所需控制方程如下。

質(zhì)量方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

在此模型中，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型用于計(jì)算湍流區(qū)流場(chǎng)， 其方程形式如下。

(4)

(5)

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；

Gb——由浮力引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；

Ym——可壓湍流中的脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；

C1ε，C2ε，C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

σk，σε——分別為與湍動(dòng)能k和耗散率ε對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)；

Sk，Sε——用戶定義的源項(xiàng)[8]。

海水-冰晶兩相流體在水平海水冷卻管道中湍流換熱程度可用努塞爾數(shù)Nu表示[9]：

(6)

式中：h——水平換熱管表面換熱系數(shù)；

D——?dú)こ坍?dāng)量直徑；

λ——流體導(dǎo)熱系數(shù)；

δ——水平直管當(dāng)量直徑；

λs——固相熱導(dǎo)率；

λl——液相熱導(dǎo)率；

Tf——凝固點(diǎn)溫度；

Tw——壁面溫度；

Tm——管道流通截面內(nèi)流體的平均溫度。

根據(jù)式(4)、(5)及(6)可得出海水-冰晶兩相流體在水平海水冷卻管內(nèi)速度場(chǎng)分布、管壁處表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h分布，以及換熱強(qiáng)弱程度Nu無量綱數(shù)分布。根據(jù)Nu分布判斷水平海水冷卻管內(nèi)兩相流換熱是否充分。通過管內(nèi)速度場(chǎng)分布可知冰晶最小速度是否為0 m/s(即minvice=0 m/s)，判斷管道內(nèi)是否容易發(fā)生冰堆積。

1.3水平海水冷卻管道網(wǎng)格參數(shù)

根據(jù)CFD 軟件中的ICEM和FLUENT14.5 仿真工具進(jìn)行建模仿真。利用ICEM建立圖1所示的三維水平海水冷卻管道，并在所建模型上創(chuàng)建結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量分析可得Determinant 2×2×2的網(wǎng)格質(zhì)量均布0.55～1.00，Angle網(wǎng)格質(zhì)量均布45°～90°，根據(jù)與規(guī)范值比較[10](見表3)，可知該網(wǎng)格參數(shù)在規(guī)范值范圍內(nèi)，不會(huì)成為仿真準(zhǔn)確性的影響因素，即滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求。圖2所示分別為管壁和出入口界面的網(wǎng)格。

表3　網(wǎng)格參數(shù)與規(guī)范值比較

圖2　ICEM中水平海水冷卻管道網(wǎng)格

2　兩相流換熱計(jì)算結(jié)果分析

2.1水平直管內(nèi)不同含冰率流動(dòng)換熱結(jié)果分析

為了對(duì)比來檢驗(yàn)來自不同含冰率梯度下海水冷卻管內(nèi)兩相流體換熱的差異性，通過在FLUENT中不斷調(diào)試各個(gè)含冰率梯度等溫度仿真，仿真結(jié)果見表4。

表4　不同含冰率下管壁平均換熱

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，隨著含冰率增加，海水冷卻管內(nèi)冰晶最小速度從vice>0 m/s區(qū)域逐漸趨于vice=0 m/s區(qū)域，并且在IPF=7%左右開始出現(xiàn)minvice=0 m/s區(qū)域，隨著IPF>7%增加minvice=0 m/s區(qū)域越來越多。在IPF=7%之后，海水冷卻管內(nèi)冰晶速度vice=0 m/s時(shí)，冰晶停留在海水冷卻管內(nèi)，長時(shí)間的堆積會(huì)堵塞海水冷卻管道，導(dǎo)致海水冷卻管內(nèi)海水-冰晶兩相流體與淡水系統(tǒng)換熱不充分。

不同含冰率下管壁平均表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h和管壁平均努塞爾數(shù)Nu變化見圖3。隨著含冰率的增加，海水-冰晶在管壁處的平均換熱程度(即h)大體上降低。但是隨著含冰率增加，管壁處的換熱強(qiáng)度(即管壁平均努塞爾數(shù)Nu)越來越強(qiáng)。

圖3　不同含冰率計(jì)算結(jié)果

含冰率在4%～15%之間變化時(shí)與水平海水冷卻管道的管壁換熱呈近似線性變化，說明在此IPF變化范圍內(nèi)，海水-冰晶兩相流體在管壁處換熱不會(huì)隨IPF過大或過小而導(dǎo)致淡水冷卻系統(tǒng)換熱不均勻，防止船舶機(jī)艙裝置熱量過多積累，甚至出現(xiàn)動(dòng)力設(shè)備裝置被燒壞的現(xiàn)象。

冷卻管內(nèi)平均努塞爾數(shù)Nu隨管內(nèi)含冰率的增加突增，并且含冰率在3%～4%之間時(shí)，換熱系數(shù)h及平均努塞爾數(shù)Nu呈突變?cè)鲩L，說明在此區(qū)間冷卻管內(nèi)兩相流形成強(qiáng)烈擾動(dòng)，換熱率達(dá)到最高，管內(nèi)換熱強(qiáng)度變大，換熱更充分。

2.2水平直管內(nèi)最佳含冰率區(qū)間對(duì)比分析

在水平海水冷卻管道中，普通水溶液與冰晶不形成冰塞的最適宜含冰率范圍一般維持在2%～15%[11]。根據(jù)對(duì)結(jié)果的分析，為保證冷卻系統(tǒng)正常冷卻船舶動(dòng)力系統(tǒng)，必須保證含冰率保持定量上限。而仿真含冰率下限值是在參考值基礎(chǔ)上進(jìn)行的，所以取值2%。通過與參考數(shù)據(jù)對(duì)比來驗(yàn)證所需平均含冰率區(qū)間(見表5)，即滿足所需的平均含冰率區(qū)間為2%～6%。

表5　不發(fā)生冰塞情況下含冰率(IPF)上下限參考值與仿真值對(duì)比　%

對(duì)比參考值與仿真值可知，為保證海水冷卻管內(nèi)換熱強(qiáng)度增加，達(dá)到換熱更充分及避免管內(nèi)因冰晶堆積而造成管道堵塞，確保該散貨船極地航行的安全性，最佳含冰率區(qū)間為IPF=2%～6%。

3　結(jié)論

1)根據(jù)仿真值與以往學(xué)者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比得出平均含冰率區(qū)間為2%～6%，說明極地運(yùn)輸船冷卻管內(nèi)確實(shí)存在最優(yōu)平均含冰率區(qū)間。利用管內(nèi)冰晶流動(dòng)速度是否為零，判斷冷卻管內(nèi)是否發(fā)生冰塞，該判斷標(biāo)準(zhǔn)在其他領(lǐng)域也有較為廣泛的應(yīng)用。

2)本文仿真的重點(diǎn)與先前學(xué)者實(shí)驗(yàn)皆是研究含冰率在管道內(nèi)流動(dòng)阻力的影響，先前學(xué)者研究的對(duì)象是普通水溶液與冰晶，而本文研究的對(duì)象是海水與冰晶。

3)仿真過程中，含冰率在3%～4%時(shí)，冷卻管內(nèi)換熱發(fā)生突變，在假設(shè)條件一定的情況下，水平冷卻管內(nèi)兩相流穩(wěn)態(tài)流動(dòng)為何會(huì)突然發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)，其具體成因及規(guī)律有待繼續(xù)研究。

4)對(duì)于此極地航行的散貨船甚至未來發(fā)展極地商用型船舶，在海水冷卻系統(tǒng)中，選擇合理的平均含冰率控制區(qū)間是必不可少的工程研究。

5)本文研究結(jié)果都是基于仿真軟件的數(shù)值模擬分析，為了深入研究，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而獲得更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

[1] 徐陳蕓.冰漿在板式換熱器中的流動(dòng)與傳熱研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2012.

[2] EZGI C, ?ZBALTA N, GIRGIN I. Thermohydraulic and thermoeconomic performance of a marine heat exchanger on a naval surface ship[J]. Applied Thermal Engineering,2014,64(1):413-421.

[3] SZARGUT J, SZCZYGIEL I. Utilization of the cryogenic exergy of liquid natural gas (LNG) for the production of electricity[J]. Energy, 2009,34(7):827-837.

[4] 簡(jiǎn)夕忠.二元冰漿流動(dòng)與傳熱特性研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2008.

[5] 李葉.冰漿在管網(wǎng)中的流動(dòng)特性分析[D].天津：天津商業(yè)大學(xué),2014.

[6] 張萌萌.基于FLUENT的北極海冰三維溫度場(chǎng)數(shù)值仿真和融化模擬[D].武漢：武漢理工大學(xué),2013.

[7] 趙慶愛.永盛輪隨船日記(上)[J].中國遠(yuǎn)洋航務(wù),2013(9):36-42.

[8] 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社,2004.

[9] 李嵐,馬歡,司風(fēng)琪,等.橢圓管內(nèi)層流結(jié)冰的數(shù)值研究[J].低溫物理學(xué)報(bào),2015(3):200-206.

[10] ANSYS ICEM CFD 11.0 Tutorial Manual.

[11] 楊麗媛.冰漿在管網(wǎng)中的流動(dòng)及傳熱分析[D].武漢：華中科技大學(xué),2012.

Influence of Ice upon Rule of Two-phase Flow Heat Transfer for Polar Ship Heat Exchanger Tubes

ZHANG Lai-laia,b, XU Lia,b, JIANG Huan-baoa,b, HUANG Zhen-feia,b, TANG Binga,b

(a. Key Laboratory of High Performance Ship Technology;b. Reliability Engineering Institute, School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

According to the computational fluid dynamics (CFD) method, the formation of ice jams is prevented by the optimal average operating ice packing factor (IPF) control range in the tube of the seawater cooling system for a 14 500 t bulk carrier. The numerical simulation on the flow characteristics of the seawater-ice crystals two-phase in the part level tube of the seawater cooling system is carried out to reveal the velocity and average Nusselt number distribution in the piping system, and the average range is obtained that there is no occurrence of ice jams. CFD simulation results show that ice jams is caused because IPF is more than 7%. The reliability of the method is validated by comparing the simulation value with the reference one. It is found that the optimum average IPF range does exist in the seawater cooling pipe, and that is 2%～6%.

polar ship; cooling pipeline; seawater-ice two-phase flow ; average IPF range; FLUENT simulation; heat exchange

2016-01-27

2016-03-30

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(51479152)

張來來(1991—)，男，碩士生

U664.81

A

1671-7953(2016)04-0094-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.022

研究方向:船舶清潔能源技術(shù)應(yīng)用，船舶動(dòng)力裝置性能分析

E-mail:angfazhang@163.com