風速對寒區(qū)船舶桿件結(jié)構(gòu)霜冰結(jié)冰的影響分析

沈 杰，白 旭

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

寒區(qū)海域冬季氣候寒冷，海氣交換強烈，濕度很大，大部分時間相對濕度都在95%以上，表現(xiàn)為多霧、濃霧等極端氣候，與其他海域相比，空氣中的水汽凝結(jié)以及海浪拍擊等極易在船舶結(jié)構(gòu)表面上發(fā)生凝霜、冰釉等結(jié)冰現(xiàn)象[1]，這些新增重量會降低船舶干舷高度，甚至引起船身傾斜，造成船舶傾覆[2]。如1965年1月在白令海上10艘蘇聯(lián)船舶由于船體嚴重結(jié)冰造成結(jié)構(gòu)失穩(wěn)進而傾覆[3]，圖1為寒區(qū)船舶上的結(jié)冰現(xiàn)象。

圖 1 寒區(qū)船舶結(jié)冰現(xiàn)象[4]Fig. 1 Ship icing in cold regions

寒區(qū)船舶上層建筑結(jié)冰多為大氣結(jié)冰，目前關(guān)于大氣結(jié)冰的研究多集中風力機結(jié)冰和飛機結(jié)冰。如李巖等[5]在自行設計的冰風洞中以繞軸旋轉(zhuǎn)圓柱為對象研究旋轉(zhuǎn)模型的結(jié)冰問題，在該實驗中分析了轉(zhuǎn)速、結(jié)冰時間和圓柱直徑對圓柱結(jié)冰形狀的影響規(guī)律。陳維建[6]提出一種適用于各種結(jié)冰氣象條件下飛機機翼結(jié)冰過程的數(shù)值模擬方法，并以NACA0012翼型為模型進行霜冰、明冰的數(shù)值計算，將計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證了該方法的有效性。顧聲龍[7]將NURLS-S809翼型作為研究對象，對在不同環(huán)境參數(shù)下，風力機葉片表面所結(jié)霜冰的形狀和結(jié)冰量進行研究，結(jié)果顯示結(jié)冰厚度和結(jié)冰量與來流風速的關(guān)系較大，隨著風速的增大，結(jié)冰量也增加，兩者之間基本呈線性關(guān)系。吳俊杰等[8]為了確定機翼結(jié)冰過程中過冷水滴的運動軌跡，以NACA0012翼型為模型，分析在溫度、時間步長和風速等因素不變的條件下，水滴直徑和來流攻角對水滴軌跡的影響。結(jié)果表明，隨著過冷水滴直徑的增大，水滴在翼面的分布范圍越廣；來流攻角不同時，過冷水滴在翼面的撞擊區(qū)域有很大不同。杜雁霞等[9]基于液/固相變的基本理論，對飛機結(jié)冰過程中的液/固相變傳熱特性進行了研究，建立了水膜和冰層生長模型，將該模型的計算結(jié)果與冰風洞的實驗結(jié)果進行對比，驗證了模型的可靠性。之后采用該模型對風速、溫度等各參數(shù)對冰層生長及速率的影響進行分析，結(jié)果顯示冰層生長及速率不但與風速、溫度等參數(shù)有關(guān)還與液、固相區(qū)的內(nèi)部傳熱特性有關(guān)，但這些研究都是關(guān)于較高風速下結(jié)構(gòu)表面的結(jié)冰。

由于寒區(qū)船舶上層建筑存在大量的桿件結(jié)構(gòu)，本文采用Fluent和FENSAP-ICE相結(jié)合的方法對桿件結(jié)構(gòu)結(jié)冰開展數(shù)值模擬，選取風速作為敏感參數(shù)，分析風速變化對結(jié)冰厚度和結(jié)冰量的影響。

1 結(jié)冰氣象條件與結(jié)冰機理

1.1 結(jié)冰氣象條件

寒區(qū)結(jié)構(gòu)結(jié)冰按冰的類型可分為霜冰、明冰、濕雪和混合冰[10]，圖2為霜冰、明冰與風速和溫度的關(guān)系。Magne[12]為了確定挪威西海岸Brosviks?ta山的大氣結(jié)冰條件，在山上4個位置處各放置一個探測當?shù)仫L速、溫度、液態(tài)水濃度等影響結(jié)冰參數(shù)的裝置，通過該實驗確定了該地區(qū)大氣結(jié)冰的氣象條件范圍：1）氣溫在-15 ℃～0 ℃范圍內(nèi)，當氣溫高于0 ℃時不結(jié)冰，當氣溫低于-15 ℃時，空氣中水滴會直接結(jié)晶從空氣中掉落而不與結(jié)構(gòu)接觸；2）風速不超過4級（7.9 m/s）；3）空氣中液態(tài)水濃度為0.05～0.25 g/m3。

圖 2 明冰、霜冰與風速和溫度的關(guān)系[11]Fig. 2 Relationship between glaze and rime and wind speed and temperature[11]

1.2 結(jié)冰機理

圖3 為霜冰的形成過程簡圖。寒區(qū)空氣中的冷水滴與結(jié)構(gòu)表面接觸后還未擴散就完全凝結(jié)形成的冰為霜冰[13]。由于水滴幾乎立刻凝結(jié)，霜冰的每個冰晶顆粒之間存在著一定量的空氣并維持半球狀，使其具有粗糙的外形和不透明的性質(zhì)，而且密度和強度都比明冰較低[14]。

圖 3 霜冰的形成過程簡圖Fig. 3 The formation of rime

2 方法驗證

由于寒區(qū)船舶結(jié)構(gòu)結(jié)冰的特殊性，通常對其的研究都是通過現(xiàn)場試驗進行的，而受到我國地理位置的影響，現(xiàn)場試驗是非常耗時且成本極高的[15]。因此，本文結(jié)合Fluent和Fensap-ice軟件進行桿件結(jié)構(gòu)的結(jié)冰數(shù)值模擬研究，計算流程如圖4所示。分為如下步驟：1）使用Fluent計算結(jié)構(gòu)周圍的流場分布，以得到結(jié)構(gòu)周圍空氣流速ua等參數(shù)；2）使用式(1)和式(2)求解水滴的運動軌跡和流場中水滴容積系數(shù)的分布；3）使用公式計算得到結(jié)構(gòu)表面控制體內(nèi)收集到的水滴質(zhì)量；4）使用式(3)和式(4)計算各控制體內(nèi)凍結(jié)冰的質(zhì)量；5）使用式(5)得到各控制體內(nèi)冰的厚度；6）將網(wǎng)格向前推進到霜冰的高度處，并重復上述過程直到給定的截止時間。

式中，cf為空氣比熱，為空氣/冰交界面溫度，Levap為蒸發(fā)潛熱，Tice,rec為 冰面溫度，T為遠場空氣溫度。

孟繁鑫等[16]通過自建的引射式結(jié)冰風速研究了不同條件下靜止圓柱表面的霜冰和明冰分布，本文選取該試驗的一組霜冰結(jié)冰條件（見表1）進行數(shù)值模擬計算，并與試驗結(jié)果對比分析。

圖 4 結(jié)冰計算流程Fig. 4 Icing calculation process

圖5 中的x軸坐標表示圓柱表面一點與X軸負半軸之間的夾角（如圖5中φ），沿順時針方向為正。圖6中本文的冰形計算結(jié)果和文獻中的試驗結(jié)果變化趨勢相同，數(shù)值也在同一個數(shù)量級，兩者之間的偏差最大為3.5%，可證明本文采用的結(jié)冰數(shù)值模擬方法是可靠的。

表 1 計算條件Tab. 1 Calculation conditions

圖 5 x軸坐標定義Fig. 5 X-axis coordinate definition

圖 6 計算結(jié)果與文獻結(jié)果對比Fig. 6 Comparison of calculation results with literature results

3 風速對桿件結(jié)構(gòu)結(jié)冰的影響

由于本文選取的風向與桿件結(jié)構(gòu)軸向方向垂直，可簡化為二維模型進行數(shù)值計算，如圖7所示。圖8為本文計算域模型，其中inlet為速度入口邊界條件，outlet為壓力出口邊界條件，上下邊界為壁面邊界條件。結(jié)冰數(shù)值模擬條件由1.1節(jié)中的結(jié)冰氣象條件確定（詳細計算參數(shù)見表2），由圖2可知本文的結(jié)冰類型應為霜冰，此外由于不同風速下所結(jié)霜冰的密度不同，本文參考Macklin[17]根據(jù)冰風洞試驗得到的霜冰密度經(jīng)驗公式（見公式9）確定霜冰密度。

圖 7 流場示意圖Fig. 7 Flow field diagram

圖 8 計算域模型Fig. 8 Computational domain model

表 2 計算工況Tab. 2 Calculation conditions

上式的應用條件為：

圖 9 不同風速下圓柱表面的局部收集系數(shù)分布Fig. 9 Distribution of icing thickness on a cylindrical surface at different wind speeds

圖 10 不同風速下圓柱表面的結(jié)冰厚度分布Fig. 10 Distribution of icing thickness on a cylindrical surface at different wind speeds

圖 11 不同風速下圓柱表面的結(jié)冰量Fig. 11 Amount of icing on a cylindrical surface at different wind speeds

圖9 ～圖11分別為風速1.0 m/s，2.0 m/s，3.0 m/s，4.0 m/s，5.0 m/s和7.0 m/s時，桿件表面局部水收集系數(shù)、冰形和結(jié)冰量分布圖。撞擊到桿件表面的水滴，沿桿件表面的分布是不均勻的，使用式(8)可得到結(jié)構(gòu)表面控制體內(nèi)的局部水收集系數(shù)，進而可確定結(jié)構(gòu)表面的水滴撞擊范圍，最終可確定結(jié)冰范圍，如圖9中1～7 m/s風速下桿件表面局部水收集系數(shù)的分布情況與圖10中結(jié)冰的分布情況是一致的。此外，從圖10可看出：1）隨著風速從1 m/s增加到7 m/s，結(jié)構(gòu)表面的冰厚逐漸增加，因為風速增大使單位時間內(nèi)撞擊到結(jié)構(gòu)上的過冷水滴數(shù)量增多，同時風速增大也會帶走更多結(jié)冰釋放的潛熱，使結(jié)冰更為迅速；2）隨著風速從1 m/s增加到7 m/s，冰厚最大值的位置逐漸向左移動，因為水滴速度隨來流速度的增加而增加，在相同時間內(nèi)水滴更快的到達結(jié)構(gòu)表面，水滴運動軌跡的偏轉(zhuǎn)更小，更多的水滴撞擊到0°位置處，冰厚最大值也隨之向0°方向移動；3）風速為7 m/s時，桿件表面的冰厚最大值為16.59 mm僅比風速為1 m/s時增加了31.3%，因為1 m/s時霜冰的密度僅為7 m/s時的22.8%，當質(zhì)量一定時，冰的密度越小體積就會越大，因此雖然1 m/s時結(jié)冰量僅為7 m/s的18.1%，但冰厚并未遠小于7 m/s時的冰厚。從圖11可看出，隨著風速從1 m/s增加7 m/s，桿件表面的結(jié)冰量近似線性增長。

4 結(jié) 語

本文以寒區(qū)船舶桿件結(jié)構(gòu)結(jié)冰為背景，采用Fluent和Fensap-ice相結(jié)合的方法對桿件結(jié)構(gòu)結(jié)冰開展數(shù)值模擬，選取風速作為敏感參數(shù)，分析了風速變化對結(jié)冰厚度和結(jié)冰量的影響，得出如下結(jié)論：

1）隨著風速從1 m/s增加到7 m/s，桿件表面冰厚最大值的位置逐漸向左移動，因為水滴速度隨來流速度的增加而增加，在位移相同時水滴更快的到達結(jié)構(gòu)表面，水滴運動軌跡的偏轉(zhuǎn)更小，更多的水滴撞擊到0°位置處，冰厚最大值也隨之向0°方向移動。

2）風速為7 m/s時桿件表面的冰厚并未遠大于1 m/s時的冰厚。因為風速為1 m/s時桿件表面所結(jié)霜冰的密度僅為7 m/s時的22.8%，當質(zhì)量一定時，冰的密度越小體積就會越大，因此雖然1 m/s時結(jié)冰量僅為7 m/s的18.1%，但冰厚并未遠小于7 m/s時的冰厚。

3）在風速為1～7 m/s區(qū)間內(nèi)，隨著風速的增加，桿件表面的結(jié)冰量近似的呈線性方式增加。