海洋溫差能動(dòng)力系統(tǒng)儲(chǔ)熱室結(jié)構(gòu)傳熱特性研究

沙浩男 張錦竹 王佳典 姜東岳

（1．中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078；2．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030；3．大連理工大學(xué)海洋能源利用與節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024）

0 引言

潛航器在海洋資源勘探、災(zāi)難預(yù)警、軍事偵查以及海床測(cè)繪等領(lǐng)域有重要應(yīng)用，現(xiàn)有潛航器以蓄電池為動(dòng)力來源，然而蓄電池的使用限制了潛航器航程的進(jìn)一步發(fā)展[1]。海洋溫差能具有較大潛力，王樹新等人[2]主持設(shè)計(jì)了溫差能驅(qū)動(dòng)潛航器的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，于2005年研制出我國(guó)首臺(tái)由溫差能驅(qū)動(dòng)的潛航器的樣機(jī)，并通過樣機(jī)上的溫度和壓力傳感器成功獲得了千島湖的環(huán)境溫度和壓力數(shù)據(jù)。馬捷等人[3]基于焓法模型，并采用液相分?jǐn)?shù)場(chǎng)與溫度場(chǎng)解耦的方法建立了相變材料傳熱數(shù)學(xué)模型，求出了最佳相變時(shí)間點(diǎn)和最優(yōu)體積變化率?？浊闪岬热薣4]建立了一維的水下熱潛航器熱管換熱模型，對(duì)潛航器上相變材料的固液相變過程換熱特性進(jìn)行了研究，利用等效導(dǎo)熱系數(shù)的方法來表現(xiàn)凝固融化過程中自然對(duì)流作用的影響，但是計(jì)算過程并未擴(kuò)展到二維或三維情況。

然而目前潛航器仍存在換熱時(shí)間過長(zhǎng)、相變材料體積變化率低等問題，導(dǎo)致潛航器航行速度慢，該文通過三維數(shù)值模擬研究了常規(guī)圓柱體結(jié)構(gòu)、空心圓柱結(jié)構(gòu)和帶孔翼形結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)熱室相變傳熱情況。中空?qǐng)A柱體結(jié)構(gòu)和帶孔翼形結(jié)構(gòu)有望為提高溫差能潛航器動(dòng)力系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供支撐。

潛航器在海洋測(cè)量、排雷、監(jiān)視和偵查領(lǐng)域具有重要作用。20世紀(jì)50年代以來，美、俄等國(guó)相繼開發(fā)了多類型潛航器。動(dòng)力系統(tǒng)是潛航器的關(guān)鍵部件，其性能直接決定了潛航器的設(shè)備載荷和水下自持力。經(jīng)歷了電推力-電浮力-熱浮力幾代動(dòng)力系統(tǒng)的研發(fā)和迭代，雖然潛航器在續(xù)航里程和巡航速度上取得了進(jìn)步，但是在實(shí)際應(yīng)用中仍存在電推進(jìn)系統(tǒng)航速高、續(xù)航短和浮力式滑翔動(dòng)力系統(tǒng)續(xù)航長(zhǎng)、航速慢相互制約的關(guān)系。常見的輕型無人潛航器采用電推進(jìn)配合可控翼提供推力，潛航器具有較好的機(jī)動(dòng)性，然而電池容量限制了潛航器的自持力（20 h～100 h），從而限制了潛航器的任務(wù)類型和續(xù)航能力。

1 海洋溫差蓄熱式潛航器動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水下滑翔機(jī)工作剖面和動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 水下滑翔機(jī)工作剖面

圖2 水下滑翔機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于海表及海底的溫差，結(jié)合相變材料的特性，該文提出超長(zhǎng)續(xù)航蓄熱式潛航器動(dòng)力系統(tǒng)。利用海洋溫差能的蓄熱式潛航器，將海洋不同深度的溫差轉(zhuǎn)換為相變材料發(fā)生相變時(shí)體積變化產(chǎn)生的機(jī)械能，以改變潛航器的浮力，驅(qū)動(dòng)潛航器在無須外供能量的情況下實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)續(xù)航的目標(biāo)。

基于海洋溫差能的潛航器工作原理，循環(huán)運(yùn)行分為開始下沉、位于海底、開始上浮和位于海表4個(gè)階段。在開始下沉階段，潛航器整體位于海表，由于海表溫度比儲(chǔ)熱室內(nèi)儲(chǔ)熱材料的相變溫度（正十六烷18.2 ℃）高，因此會(huì)使儲(chǔ)熱材料融化且體積膨脹，壓縮傳動(dòng)油經(jīng)單向閥至氮?dú)庑钅芷鞔蜷_電磁閥2。由于大氣壓力比潛航器內(nèi)部壓力高，因此會(huì)使傳動(dòng)油由外油馕流至內(nèi)油箱，在系統(tǒng)總質(zhì)量不變的情況下體積變小，潛航器具有負(fù)浮力，開始下沉；當(dāng)位于海底工況時(shí)，由于海底溫度比儲(chǔ)熱材料相變溫度低，因此儲(chǔ)熱材料凝固收縮，內(nèi)油箱中的傳動(dòng)油經(jīng)單向閥流至儲(chǔ)熱室；在開始上浮階段，打開電磁閥1，氮?dú)庑钅芷麽尫拍芰?，將傳?dòng)油壓至外油馕，在系統(tǒng)總質(zhì)量不變的情況下體積變大，潛航器具有正浮力，開始上?。划?dāng)位于海表工況時(shí)，海表水溫比儲(chǔ)熱材料相變溫度高，使儲(chǔ)熱材料融化膨脹，并使傳動(dòng)油經(jīng)單向閥流至氮?dú)庑钅芷鳎瑢?shí)現(xiàn)蓄能，為下一個(gè)循環(huán)做準(zhǔn)備。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中需要注意儲(chǔ)熱材料相變過程帶來的體積變化應(yīng)足以改變潛航器整體的凈浮力，系統(tǒng)儲(chǔ)熱材料的相變溫度應(yīng)位于海表、海底溫度之間，氮?dú)庑钅芷鞒跏級(jí)毫?yīng)與潛航器下沉深度相匹配，目前常見的儲(chǔ)熱材料為正十五烷和正十六烷，這2種材料具備適宜的相變溫度和較大的固液相變體積變化率。

蓄熱式潛航器的核心為儲(chǔ)熱室，儲(chǔ)熱室與海水傳熱的性能直接決定了熱能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化程度，目前儲(chǔ)熱室設(shè)計(jì)僅依靠?jī)?chǔ)熱室殼體與海水之間的導(dǎo)熱和對(duì)流，傳熱性能差，使?jié)摵狡髟谒婊蛘咚走M(jìn)行傳熱和相態(tài)轉(zhuǎn)變的耗時(shí)過長(zhǎng)，約2 h，大大削弱了潛航器在特定應(yīng)用場(chǎng)所的隱蔽性和機(jī)動(dòng)性。該研究旨在使儲(chǔ)熱室強(qiáng)化換熱，縮短潛航器在水面和水底位置的駐留時(shí)間。

2 建立儲(chǔ)熱室的數(shù)值模型

該研究采用多物理場(chǎng)數(shù)值模擬平臺(tái)COMSOL對(duì)儲(chǔ)熱室在海表、海底之間運(yùn)動(dòng)過程中的熱力性能進(jìn)行仿真，海表溫度設(shè)置為25 ℃，海底溫度設(shè)置為4 ℃，海水與儲(chǔ)熱室之間的傳熱為0.35 m/s的強(qiáng)制對(duì)流。采用的物理模型如圖3所示，依次為傳統(tǒng)圓柱結(jié)構(gòu)、中通圓柱結(jié)構(gòu)和帶孔翼形結(jié)構(gòu)。為確保數(shù)值模擬具有可比性，儲(chǔ)熱材料均為4 L的正十六烷，儲(chǔ)熱室外殼為金屬鈦，內(nèi)側(cè)傳動(dòng)油體積相同。詳細(xì)物理模型參數(shù)見表1。

圖3 數(shù)值模擬所選用的3種儲(chǔ)熱室結(jié)構(gòu)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

在對(duì)模型正確性進(jìn)行驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，該章節(jié)探討不同幾何形狀對(duì)儲(chǔ)熱室傳熱性能的影響。中通圓柱結(jié)構(gòu)和帶孔翼形結(jié)構(gòu)儲(chǔ)熱室內(nèi)儲(chǔ)熱材料的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)熱室凝固過程體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系

隨著時(shí)間的推移可以發(fā)現(xiàn)，無論是中通圓柱形結(jié)構(gòu)還是帶孔翼形結(jié)構(gòu)的固相、液相率，其隨時(shí)間變化的規(guī)律均呈現(xiàn)出與圓柱形結(jié)構(gòu)相同的趨勢(shì)，即固相率逐漸升高，液相率逐漸降低，且相變初期體積變化率隨時(shí)間變化明顯，相變后期體積變化率隨時(shí)間變化不明顯。這一趨勢(shì)與傳統(tǒng)相變材料相變過程體積變化率相似，在凝固過程中，與水接觸的相變材料首先遇冷凝固，材料凝固后對(duì)內(nèi)部相變材料的凝固形成導(dǎo)熱熱阻，與對(duì)流傳熱相比，導(dǎo)熱熱阻明顯。

隨著時(shí)間的不斷推移，形成的固體相變材料層厚度增加，加劇了導(dǎo)熱熱阻的影響，進(jìn)而使相變材料的體積分?jǐn)?shù)變化逐漸變?nèi)?。值得注意的是，在采用相同體積儲(chǔ)熱材料的情況下，該研究提出的2種儲(chǔ)熱室結(jié)構(gòu)均有效削弱了儲(chǔ)熱時(shí)間，中通圓柱形結(jié)構(gòu)強(qiáng)化傳熱效果最明顯，將原來的6 500 s縮短至3 500 s，而帶孔翼形結(jié)構(gòu)可以將凝固時(shí)間縮短至5 000 s。實(shí)現(xiàn)縮短相變時(shí)間的主要原因是增大的傳熱面積。與傳統(tǒng)圓柱形結(jié)構(gòu)相比，中通圓柱結(jié)構(gòu)傳熱面積增大，使圓柱長(zhǎng)度明顯變長(zhǎng)，傳熱面積由0.35 ㎡增至0.64 ㎡，帶孔翼形結(jié)構(gòu)的傳熱面積為0.45 ㎡，增大的傳熱面積能使儲(chǔ)熱室內(nèi)的相變材料高效釋放熱量。

3種儲(chǔ)熱室結(jié)構(gòu)在海洋溫差條件下的融化過程、凝固過程和融化凝固總體過程所消耗的時(shí)間的對(duì)比如圖5所示。

圖5 圓柱形、中通圓柱形和帶孔翼形結(jié)構(gòu)儲(chǔ)熱室相變過程時(shí)間對(duì)比

無論是何種結(jié)構(gòu)，其融化時(shí)間均比凝固時(shí)間短，其原因是在融化過程中，外側(cè)儲(chǔ)熱材料受熱融化后，其向固體儲(chǔ)熱材料的熱量傳遞方式為對(duì)流傳熱，對(duì)流傳熱熱阻顯著低于導(dǎo)熱熱阻，因此融化時(shí)間較短。劉鴻瑨等人[5]指出在高壓條件下，融化過程和凝固過程的時(shí)間變化會(huì)發(fā)生逆轉(zhuǎn)，其原因是高壓條件對(duì)儲(chǔ)熱材料的相變溫度產(chǎn)生了影響。而該研究中假設(shè)儲(chǔ)熱材料的相變溫度為定值，外界壓力條件對(duì)儲(chǔ)熱材料相變溫度及傳熱時(shí)間的影響有待進(jìn)一步探討。由融化過程和凝固過程的總時(shí)間可知，該文提出的中通圓柱形結(jié)構(gòu)和帶孔翼形結(jié)構(gòu)對(duì)儲(chǔ)熱室的傳熱均起到了強(qiáng)化作用，該作用是由增大的傳熱面積而產(chǎn)生的。

4 結(jié)語

針對(duì)海洋溫差能潛航器傳熱過慢、滑翔速度低和丟失率高的問題，該研究提出了3種儲(chǔ)熱室結(jié)構(gòu)并進(jìn)行了數(shù)值分析。通過和文獻(xiàn)試驗(yàn)值對(duì)比，證明了該數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明，該文提出的中通圓柱形結(jié)構(gòu)和帶孔翼形結(jié)構(gòu)均可以有效地縮短儲(chǔ)熱材料融化過程和凝固過程所需的時(shí)間，其原因是所提出的結(jié)構(gòu)具有較大的傳熱面積。雖然中通圓柱形結(jié)構(gòu)獲得了最短的凝固、融化總時(shí)間，但是中通圓柱結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)熱室長(zhǎng)度明顯大于傳統(tǒng)圓柱結(jié)構(gòu)，會(huì)產(chǎn)生較大的滑翔阻力，帶孔翼形的結(jié)構(gòu)不僅能夠縮短傳熱時(shí)間，而且其長(zhǎng)度增加得也不明顯；同時(shí)，其流動(dòng)外形具備一定減阻特性，有望成為基于海洋溫差能的潛航器儲(chǔ)熱室的理想結(jié)構(gòu)。