大洋勘探船巖芯儲(chǔ)存庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬

郭月姣，吳毅昊，馬雙，陳旭，孟博，雷淑雅，石大川，馮國(guó)增*

1 江蘇科技大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003

2 上海外高橋造船有限公司，上海 200137

3 中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海 200011

4 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045

0 引 言

巖芯是研究地下地質(zhì)和礦產(chǎn)情況的重要材料。巖芯開(kāi)采出來(lái)后，經(jīng)清洗、干燥、密封等過(guò)程，放置在大洋勘探船的巖芯儲(chǔ)存庫(kù)中。巖芯熱容較大，在入庫(kù)或出庫(kù)時(shí)溫度變化小，具有種類多、巖性變化大、靈敏度高等特點(diǎn)，因此儲(chǔ)存條件非常嚴(yán)格[1]。當(dāng)巖芯種類和研究目的不同時(shí)，對(duì)庫(kù)溫的要求也不同，通常松軟的沉積物巖芯樣品、冰心樣品等需進(jìn)行冷凍保存，而固體礦產(chǎn)巖芯一般進(jìn)行冷藏儲(chǔ)存。例如，“東方紅3”號(hào)勘探船巖芯儲(chǔ)存庫(kù)分為樣品冷凍庫(kù)和樣品冷藏庫(kù)，庫(kù)溫分別為-20～-18 ℃和-4～10 ℃；“科學(xué)”號(hào)考察船的巖芯儲(chǔ)存庫(kù)庫(kù)溫分別為4 ℃和-20 ℃；“雪龍2”號(hào)科考船巖芯儲(chǔ)存庫(kù)分為低溫樣品冷藏室和樣品冷凍室，庫(kù)溫分別為2～10 ℃和-20～-18 ℃。在巖芯儲(chǔ)存庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，若庫(kù)內(nèi)冷風(fēng)機(jī)放置位置不當(dāng)，存在溫度死區(qū)，造成溫度分布不均勻或溫度過(guò)高過(guò)低，都不利于巖芯儲(chǔ)存，故需研究巖芯庫(kù)冷風(fēng)機(jī)合理的布置位置以長(zhǎng)時(shí)間、高質(zhì)量保存巖芯。

巖芯熱容較大，對(duì)庫(kù)溫影響大，巖芯儲(chǔ)存庫(kù)的設(shè)計(jì)必須滿足巖芯存儲(chǔ)目標(biāo)溫度的均勻性，但是大洋勘探船巖芯儲(chǔ)存庫(kù)的運(yùn)輸機(jī)制十分復(fù)雜，很難以經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定最優(yōu)的冷庫(kù)設(shè)計(jì)方案。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的發(fā)展，數(shù)值模擬作為方案擇優(yōu)的一種輔助手段，被廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域，例如艙室通風(fēng)[2]、熱量變化過(guò)程分析[3]、船型優(yōu)化[4-5]及設(shè)計(jì)[6]等方面。同樣，在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，數(shù)值模擬方法也得到了普遍應(yīng)用。權(quán)崇仁等[7]和敖慶章等[8]通過(guò)模擬計(jì)算艦船典型艙室的溫度場(chǎng)分布，驗(yàn)證了空調(diào)系統(tǒng)布置的合理性；亓海青等[9]采用數(shù)值模擬方法對(duì)艙室內(nèi)部空氣環(huán)境的舒適性進(jìn)行了分析；倪崇本等[10]運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)液化天然氣船（LNG船）機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬，消除了通風(fēng)死角產(chǎn)生的安全隱患；Wang等[11]運(yùn)用CFD技術(shù)模擬了制冷柜中的空氣三維溫度變化，有效改善了制冷系統(tǒng)性能；S?ylemez等[12]和Rusly等[13]通過(guò)CFD模擬提供的更完整流場(chǎng)信息，確定了制冷系統(tǒng)中設(shè)備構(gòu)件的最佳設(shè)置位置。

但是，上述研究均未涉及大洋勘探船巖芯儲(chǔ)存庫(kù)中的數(shù)值模擬應(yīng)用。本文擬針對(duì)大洋勘探船陸上模擬巖芯儲(chǔ)存庫(kù)，采用CFD技術(shù)研究庫(kù)內(nèi)溫度分布，從而改變冷風(fēng)機(jī)設(shè)置位置；通過(guò)分析3種不同冷風(fēng)機(jī)設(shè)置位置的壁面溫度分布，以確定有利于巖芯儲(chǔ)存的冷風(fēng)機(jī)布置方案。

1 巖芯儲(chǔ)存庫(kù)結(jié)構(gòu)及冷風(fēng)機(jī)布置方式

大洋勘探船陸上模擬巖芯儲(chǔ)存庫(kù)高、低溫冷庫(kù)外觀如圖1所示，長(zhǎng)5 m，寬13.6 m，高2.5 m，總?cè)萘繛?70 m3，其中低溫庫(kù)庫(kù)容量70 m3，長(zhǎng)5 m，寬5.6 m，高2.5 m；高溫庫(kù)庫(kù)容量100 m3，長(zhǎng)5 m，寬8 m，高2.5 m。冷庫(kù)隔熱材料為聚乙烯泡沫等。高溫庫(kù)工況：負(fù)荷6.345 kW，送風(fēng)量2.71 m3/s。低溫庫(kù)工況：負(fù)荷6.915 kW，送風(fēng)量2.67 m3/s。高、低溫庫(kù)冷風(fēng)機(jī)分別采用橫向、縱向和斜角3種布置方式，如圖2所示。

圖 1 巖芯儲(chǔ)存庫(kù)外觀Fig. 1 Exterior view of refrigeratory for core storage

圖 2 冷風(fēng)機(jī)布置方式Fig. 2 Layout of air coolers

2 冷庫(kù)數(shù)值模型

冷庫(kù)流體流動(dòng)需符合連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。由于庫(kù)內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)基本為湍流，故選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型解決湍流模型的不封閉問(wèn)題，且考慮重力影響。連續(xù)性方程、動(dòng)量方程（以x方向?yàn)槔?、能量方程、k方程和ε方程分別為：

3 模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)條件

模型邊界條件為：1)冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口流速設(shè)為冷庫(kù)進(jìn)風(fēng)口速度；2)冷風(fēng)機(jī)回風(fēng)口采用壓力出口；3)冷庫(kù)壁面邊界條件選用第2類邊界條件，冷庫(kù)庫(kù)板保溫絕熱，熱流密度為0，將壁面的傳熱量折算成內(nèi)熱源，高溫庫(kù)內(nèi)熱源為63.45 W/m3，低溫庫(kù)內(nèi)熱源為98.78 W/m3。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及送風(fēng)參數(shù)如表1所示。在模擬計(jì)算時(shí)假設(shè)高、低溫冷庫(kù)完全獨(dú)立，2個(gè)庫(kù)作為單獨(dú)的庫(kù)區(qū)來(lái)進(jìn)行計(jì)算。以縱向吊頂布置為例，整個(gè)計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格數(shù)約1.79×106，網(wǎng)格整體劃分情況如圖3(a)所示；對(duì)進(jìn)風(fēng)口網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，結(jié)果如圖3(b)所示。

為了獲得冷庫(kù)內(nèi)的合理流場(chǎng)，在建立描述冷藏庫(kù)內(nèi)流動(dòng)換熱的數(shù)學(xué)模型時(shí)，假設(shè)如下：1）冷庫(kù)內(nèi)空氣為不可壓縮理想氣體，高、低溫冷庫(kù)之間無(wú)空氣泄漏；2）鑒于流體為低速、不可壓縮流動(dòng)，故忽略由流體粘性力做功引起的耗散熱；3）不考慮輻射換熱；4）冷庫(kù)外溫度保持穩(wěn)定。

表 1 模型參數(shù)Table 1 Model parameters

圖 3 縱向布置網(wǎng)格劃分Fig. 3 Mesh division of longitudinal layout

實(shí)驗(yàn)中，在冷庫(kù)內(nèi)布置溫度傳感器，溫度數(shù)據(jù)由自主開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)顯示并記錄。選取高度方向2.2 m處進(jìn)行溫度測(cè)量，距離冷庫(kù)壁面50 mm處等距安置溫度傳感器（其中高溫庫(kù)測(cè)溫點(diǎn)有40個(gè)，低溫庫(kù)測(cè)溫點(diǎn)有25個(gè)），測(cè)溫點(diǎn)布置情況如圖4所示。

4 模擬結(jié)果分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用該模型研究巖芯儲(chǔ)存庫(kù)內(nèi)部冷風(fēng)機(jī)的最佳擺放位置，在空庫(kù)和有吊頂情況下，冷風(fēng)機(jī)分別采用縱向、橫向和斜角3種布置方式，對(duì)大洋勘探船陸上模擬巖芯儲(chǔ)存庫(kù)進(jìn)行分析，以確定冷風(fēng)機(jī)的最佳放置位置。

當(dāng)冷風(fēng)機(jī)采用縱向吊頂布置方式時(shí)，模擬結(jié)果如圖5所示，沿著縱向遠(yuǎn)離冷風(fēng)機(jī)的區(qū)域溫度越來(lái)越高，高溫庫(kù)內(nèi)冷風(fēng)機(jī)對(duì)側(cè)壁面溫度最高為9 ℃，低溫庫(kù)內(nèi)冷風(fēng)機(jī)對(duì)側(cè)壁面溫度最高為-14 ℃。當(dāng)冷風(fēng)機(jī)采用橫向吊頂布置方式時(shí)，模擬結(jié)果如圖6所示，低溫庫(kù)內(nèi)冷風(fēng)機(jī)出口斜下方溫度較高，為-16 ℃，大部分區(qū)域溫度分布較均勻，為-20～-18 ℃，偏離程度較低；高溫庫(kù)內(nèi)溫度在3～6 ℃內(nèi)波動(dòng)，少數(shù)區(qū)域的溫度達(dá)到7 ℃。當(dāng)巖芯儲(chǔ)存庫(kù)冷風(fēng)機(jī)采用斜角（軸向45°）吊頂布置方式時(shí)，部分截面模擬的溫度分布云圖如圖7所示，由于冷風(fēng)機(jī)為軸向45°放置，庫(kù)內(nèi)另外2個(gè)角落風(fēng)量不足，從而導(dǎo)致角落附近區(qū)域的溫度較高，其中低溫庫(kù)角落的溫度約-12 ℃，高溫庫(kù)角落的溫度約9 ℃，從而不利于巖芯的儲(chǔ)存。

由于溫度控制精度為±1 ℃，所以高溫庫(kù)溫度波動(dòng)范圍為3～5 ℃，低溫庫(kù)溫度波動(dòng)范圍為-21～-19 ℃，溫度在此范圍內(nèi)視為合格區(qū)域。選擇截面z=2.2 m處進(jìn)行溫度對(duì)比分析，結(jié)果如圖8所示。圖中，分組1為合格區(qū)域，分組2為偏離設(shè)計(jì)溫度2 ℃范圍內(nèi)，分組3為偏離設(shè)計(jì)溫度3～8 ℃范圍內(nèi)，分組4為偏離設(shè)計(jì)溫度9 ℃及以上。冷風(fēng)機(jī)采用橫向吊頂布置方式時(shí)，最大偏離溫度不超過(guò)8 ℃，且溫度大都集中在合格區(qū)域，面積為33 m2；斜角吊頂時(shí)合格區(qū)域面積為36 m2，但冷風(fēng)機(jī)采用縱向和斜角吊頂布置方式時(shí)，溫度偏差9 ℃的區(qū)域面積較大，面積分別為9和7 m2，不利于巖芯儲(chǔ)存。綜上所述，最終選擇將冷風(fēng)機(jī)橫向吊頂布置。

當(dāng)冷風(fēng)機(jī)橫向吊頂布置時(shí)，在高、低溫庫(kù)穩(wěn)定時(shí)測(cè)量溫度，并與模擬結(jié)果對(duì)比（圖9）。由圖可見(jiàn)，各測(cè)溫點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)與模擬溫度之間存在1～2℃的溫差，且在大部分測(cè)溫點(diǎn)兩者誤差小于10%，表明數(shù)值模擬結(jié)果較準(zhǔn)確。而在如圖9（a）所示的測(cè)溫點(diǎn)12～15處，實(shí)驗(yàn)與模擬溫度的誤差大于10%，推測(cè)是溫度傳感器距離冷風(fēng)機(jī)送風(fēng)口較近，使其位置發(fā)生偏離導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。

圖 4 溫度傳感器布置Fig. 4 Temperature sensor layout

圖 5 縱向吊頂布置時(shí)溫度分布云圖Fig. 5 Temperature contours of longitudinal ceiling layout

圖 6 橫向吊頂布置時(shí)溫度分布云圖Fig. 6 Temperature contours of transverse ceiling layout

圖 7 斜角吊頂布置時(shí)溫度分布云圖Fig. 7 Temperature contours of oblique ceiling layout

圖 8 z=2.2 m處溫度對(duì)比結(jié)果Fig. 8 Temperature comparison results at z=2.2 m

5 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了陸上模擬巖芯儲(chǔ)存庫(kù)的數(shù)值模型，并進(jìn)行了數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)大洋勘探船陸上模擬巖芯儲(chǔ)存庫(kù)的實(shí)際溫度需要，對(duì)縱向吊頂、橫向吊頂和斜角吊頂3種冷風(fēng)機(jī)布置方式進(jìn)行了模擬。結(jié)果顯示，當(dāng)冷風(fēng)機(jī)橫向吊頂時(shí)，高溫庫(kù)溫度大部分維持在3～6 ℃，低溫庫(kù)溫度大部分維持在-20～-18 ℃。巖芯儲(chǔ)存庫(kù)大部分區(qū)域溫度分布均勻，滿足儲(chǔ)存溫度需求。根據(jù)模擬結(jié)果，冷風(fēng)機(jī)最終采用橫向吊頂布置方式。巖芯儲(chǔ)存庫(kù)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析表明，兩者溫度誤差在10%以內(nèi)，這說(shuō)明數(shù)值模擬技術(shù)可用于指導(dǎo)巖芯儲(chǔ)存庫(kù)工程設(shè)計(jì)。下一步可利用數(shù)值模擬技術(shù)分析當(dāng)巖芯儲(chǔ)存庫(kù)內(nèi)擺放貨架以及改變冷風(fēng)機(jī)的布置高度時(shí)對(duì)庫(kù)內(nèi)溫度場(chǎng)的影響。