船舶圍壁空氣層自然對流對傳熱系數的影響分析

李偉光 李安邦 施紅梅 徐新華 謝軍龍

船舶圍壁空氣層自然對流對傳熱系數的影響分析

李偉光1李安邦2施紅梅1徐新華2謝軍龍2

1中國艦船研究設計中心
2華中科技大學建筑環境與設備工程系

本文采用數值模擬軟件對不同室內外溫度條件下的船舶水平及垂直圍壁穩態傳熱進行模擬計算。結果表明水平圍壁在冬季和夏季的傳熱系數存在明顯的差異，而且冬季的傳熱系數要比夏季的傳熱系數大的多，這主要是水平空氣層在冬季的自然對流比夏季的自然對流強烈。垂直圍壁冬季和夏季傳熱系數的差異很小。結果也表明同一季節的室內外溫差的變化對圍壁傳熱系數的影響均很小。因此在計算船舶空調負荷時，水平圍壁傳熱系數取值應對冬季和夏季予以區分而垂直圍壁的傳熱系數選取不需區分冬季和夏季。

船舶圍壁自然對流數值計算傳熱系數

0引言

近幾十年來，隨著我國船舶行業發展，船舶行業總體能耗也隨之增大，在國家大力發展節能減排技術的政策背景下，研究船舶節能技術具有很大的現實意義。船舶空調系統是船舶主要的耗能設施之一，萬噸級以上遠洋船舶空調系統能耗約占船舶總能耗的近1/3[1]。在船舶空調系統設計中，往往由于對艙室內空調負荷的保守計算（甚至是估算）導致空調設備選型偏大，既加大了初投資也造成了運行過程中能量的浪費，因此獲得正確船舶艙室空調負荷是提高船舶空調系統經濟性和實現空調系統節能的前提。

船舶艙室一般采用穩態的方法計算空調冷熱負荷。船舶圍壁傳熱產生的空調負荷與船舶圍壁的傳熱系數成正比，其取值直接影響到艙室空調負荷計算結果。船舶圍壁結構包括鋼板、梁（扶材）、隔熱保溫層、裝飾板，其中隔熱保溫層與裝飾板之間存在一定厚度的空氣層。船舶圍壁空氣層在溫差（密度差）的驅動下會產生自然對流從而強化換熱，不同溫度條件下的自然對流換熱強度會有差異[2]。

目前船舶空調負荷計算時圍壁傳熱系數的選取一般參考文獻[3～4]。文獻中提供的船舶圍壁傳熱系數簡化算法以及傳熱系數參考值均沒有考慮船體圍壁空氣層自然對流對船舶圍壁傳熱系數的影響。本文采用數值模擬方法對船舶圍壁進行穩態傳熱模擬，對比分析在不同溫度條件（自然對流強度）下船舶圍壁傳熱系數的差異。

1船舶圍壁傳熱數值模擬方法

1.1物理模型以及邊界條件

船舶圍壁按幾何位置可以分為水平（甲板）圍壁和垂直圍壁兩種。文獻[4]中列舉了多種不同隔熱材料、尺寸的船舶圍壁隔熱結構形式，本文摘取其中典型的一種有空氣層的隔熱結構形式進行分析研究。該種隔熱結構組成及尺寸（單位：mm）見圖1，各部分材料的物性參數見表1。由于水平圍壁中空氣層主要的自然對流運動方向為空氣層厚度方向，圍壁的長度對自然對流的影很小可以忽略，而垂直圍壁中空氣層自然對流的主要運動方向為空氣層高度方向，圍壁的高度對自然對流的影響較大須考慮[2]。因此選取結構如圖1所示的750mm長度（水平圍壁的梁間距為750mm）的水平圍壁、3000mm高度的垂直圍壁（一般艙室的高度為2600mm到3000mm）作為船舶圍壁傳熱的物理模型。船舶圍壁內外表面與空氣的對流換熱系數分別為8W/(m2·K)與80W/(m2·K)，夏季艙室內空氣溫度為27℃，冬季艙室內空氣溫度為22℃[4]，夏季艙室外空氣溫度取30～65℃（下文中將通過改變艙室外的空氣溫度來分析船舶圍壁的傳熱系數變化），冬季艙室外空氣溫度取-16～19℃。水平（垂直）圍壁物理模型的左右（上下）兩側壁面均視作絕熱面。FLUENT軟件是一款基于有限體積法的數值計算軟件，在求解流-固耦合傳熱問題方面已有較多的應用[5～7]。有空氣層的船舶圍壁傳熱是典型的流-固耦合傳熱問題，本文采用FLUENT軟件對船舶圍壁進行穩態傳熱模擬。

圖1一種有空氣層的船舶圍壁隔熱結構

表1隔熱結構各部分材料的熱物性參數

1.2控制方程及數值計算模型

運用質量守恒定律、牛頓第二定律以及熱力學第一定律可以建立關于圍壁傳熱的一系列控制方程：固體區域的二維導熱微分方程，氣體區域的二維連續性方程、動量方程及能量守恒方程。本文采用Boussinesq假設忽略流體中粘性耗散，除動量方程中浮升力項考慮密度的變化外，其余各項中密度以及其它物性參數均看作用常數[8]。其中氣體區域x、y方向上的動量方程分別如式（1）、（2），式（2）中ρβ(T-T0)g為基于Boussinesq假設的浮升力項，式（3）為空氣層自然對流的瑞利數。

式中：T為溫度變量；T0是參考溫度；u、v分別是速度在x、y方向上的分量；μ是空氣動力粘性系數；λ是空氣導熱系數；cρ是空氣定壓比熱；ρ是空氣密度；β為空氣的熱膨脹系數；g為重力加速度；△T為空氣層上下壁面的溫差；L為空氣層的厚度；α為熱擴散率。

在FLUENT中求解時，壓力一速度耦合方程采用SIMPLE算法，動量、能量方程選擇二階迎風格式。由式（3）計算出本文所研究的空氣層自然對流的瑞利數Ra均小于108，因此使用層流模型。改變船舶室內外的空氣溫度（室內空氣溫度恒定），通過FLUENT軟件模擬計算得出不同室內外溫差下船舶圍壁的溫度分布、傳熱量及傳熱系數。

2結果比較分析

2.1水平圍壁

表2為水平圍壁在不同室內外空氣溫差下的傳熱系數計算結果。在相同大小的室內外溫差下水平圍壁在冬季的傳熱系數比夏季的傳熱系數大很多，前者甚至是后者的幾倍之多。夏季水平圍壁的空氣層冷面在下方而熱面在上方，空氣直接分層，自然對流很弱，空氣層的傳熱過程可近似地看做純導熱[2]。夏季水平圍壁的溫度分布云圖如圖2所示。冬天水平圍壁的冷面在上方而熱面在下方，下方靠近熱面的空氣在浮升力的作用下上升，上方靠近冷面的空氣被冷卻而下降，這樣就形成了在封閉的空氣層內循環的自然對流，對流換熱大大地減少了空氣層部分的傳熱熱阻，因此水平圍壁在冬天的換熱系數一般要比夏天的換熱系數要大很多。冬季水平圍壁的溫度分布云圖如圖3所示。

表2不同室內外空氣溫度差下的水平船舶圍壁傳熱系數

圖2夏季水平圍壁的溫度分布云圖（室內外溫差18℃）

圖3冬季水平圍壁的溫度分布云圖（室內外溫差-18℃）

表2還表明，改變冬夏季室內外溫差大小對水平圍壁的傳熱系數的影響均很小。夏季水平圍內空氣層的傳熱方式為導熱，改變溫差對圍壁內空氣層的導熱熱阻的幾乎沒有影響，因此夏季室內外溫差的變化對船舶圍壁的傳熱系數影響很小。冬季水平圍壁內空氣層自然對流換熱較大程度地減小了空氣層熱阻，使得空氣層部分的熱阻相比隔熱材料等其它部分的熱阻小很多。空氣層上下壁面的溫差占整個室內外溫差的比例很小，因此當室內外溫差有較大的變化時，空氣層上下壁面的溫差其實變化很小從而對流換熱的強度的改變也不明顯，因此冬天室內外溫差的變化對船舶圍壁的傳熱系數的影響很小。

2.2垂直圍壁

表3為垂直船舶圍壁在不同室外溫差下的傳熱系數計算結果。對于垂直圍壁，在相同大小的室內外溫差下冬季和夏季船舶圍壁的傳熱系數相差很小，且冬夏季室內外溫差的大小改變對垂直圍壁傳熱系數的影響均很小。垂直圍壁空氣層兩側存在溫差，熱側的空氣因浮升力上升而冷側的空氣遇冷下降，這樣就在空氣層內形成了自然對流。圖4與圖5分別為垂直圍壁在夏季及冬季的溫度分布云圖。垂直圍壁內的空氣層在冬夏季均能形成自然對流，因此在大小相同的室內外溫差下冬夏季垂直圍壁的傳熱系數相差很小。空氣層自然對流傳熱的熱阻相比于圍壁隔熱材料等其它部分的熱阻小很多，當室內外溫差有較大的變化時，空氣層兩側壁之間的溫差變化實際很小。因此冬夏季室內外溫差大小的變化對船舶垂直圍壁的傳熱系數的影響均很小。

表3不同室內外空氣溫度差的垂直船舶圍壁傳熱系數

圖4夏季垂直圍壁溫度分布云圖（室內外溫差為18℃）

圖5冬季垂直圍壁溫度分布云圖（室內外溫差為-18℃）

3總結與討論

本文采用FLUENT軟件對船舶圍壁進行了穩態傳熱模擬計算，研究討論了不同的室內外溫度條件下圍壁空氣層對圍壁傳熱系數的影響。由于水平圍壁的空氣層在夏季及冬季形成的空氣自然對流完全不一樣，水平外圍壁在冬季及夏季的傳熱系數差異很大。垂直圍壁的空氣層在夏季及冬季都能形成良好自然對流，在冬季及夏季的傳熱系數基本一樣。在冬夏季室內外溫差大小的變化對水平圍壁和垂直圍壁的傳熱系數的影響均很小。因此在計算船舶艙室冬夏季空調負荷時，水平圍壁的傳熱系數在冬季和夏季應取不同的值，而垂直圍壁的傳熱系數可以取相同的值。

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[8]陶文銓.數值傳熱學(第2版)[M].西安:西安交通大學出版社, 2005

Ana lys is of the Effe c ts of Na tura l Conve c tion in the Air La ye r of Ship Enve lope s on the He a t Tra ns fe r Coe ffic ie nt

LI Wei-guang1,LI An-bang2,SHI Hong-Mei1,XU Xin-hua2,XIE Jun-long2
1 China Ship Development and Design Center
2 Department of Building Environment and Energy Engineering,Huazhong University of Science and Technology

Numerical simulation software is used to simulate the steady heat transfer of ship envelopes under various indoor and outdoor temperature conditions.Results show that the heat transfer coefficient of horizontal ship envelops in winter season differs much from the one in summer season.The coefficient in winter season is much larger than that in summer season due to that the natural ventilation is much powerful in winter season.Results also show that the heat transfer coefficient of vertical ship envelops in summer season is almost the same to that in winter season due to similar natural convection.The simulation results also indicate that the heat transfer coefficient of ship envelops is almost the same in one season although the indoor and outdoor temperature difference changes.Therefore,when calculating the air conditioning cooling/heating load of ships,the heat transfer coefficient of horizontal ship envelops in winter and summer should be determined separately while the heat transfer coefficient of vertical ship envelops in winter and summer can be the same.

ship envelope,natural convection,numerical simulation,heat transfer coefficient

1003-0344（2014）05-038-4

2013-7-8

李偉光（1982～），男，碩士，工程師；湖北省武漢市中國艦船研究設計中心（430064）；E-mail:lwgabe@gmail.com

中央高校基本科研業務費專項資金（2013QN072）；教育部高校博士點基金（201201421 10078）