冰晶對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 能源與動力工程學院 a.高性能船舶技術教育部重點實驗室 b.可靠性工程研究所，武漢 430063)

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冰晶對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 能源與動力工程學院 a.高性能船舶技術教育部重點實驗室 b.可靠性工程研究所，武漢 430063)

針對極地運輸船海水冷卻管路不同含冰率情況下冰塞形成問題，運用計算流體力學(CFD)數(shù)值模擬方法，計算分析14 500 t散貨船部分水平海水冷卻管路兩相流流動特征，揭示管內冰晶運動速度分布與平均努塞爾數(shù)大小變化及管內是否存在不發(fā)生冰塞的平均含冰率區(qū)間。仿真結果表明，冷卻管路平均含冰率超過7%會造成管內冰塞。與以往實驗數(shù)據(jù)對比說明，極地航行時該散貨船海水冷卻管路確實存在最優(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)運行時，會有大量細小冰晶順水流進入海水冷卻系統(tǒng)中，而海水冷卻管道內冰晶所占比重(即含冰率)的多少會直接影響管壁換熱程度和管道堵塞，適當?shù)暮Ｋ?冰晶混合能加強換熱效果，但是冰晶含量相對較多時會造成管道堵塞[1]。為使極地運輸船海水冷卻系統(tǒng)在北極冰區(qū)高效穩(wěn)定運行，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)極地船動力系統(tǒng)癱瘓而失控的現(xiàn)象，合理控制含冰率的大小對極地運輸船冷卻系統(tǒng)換熱大小和船舶動力裝置的正常運行有極其重要的作用。目前，國際上針對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垢換熱性能分析及熱交換器的最佳傳熱等[2-3]，國內有學者結合理論與實驗方法，以管內冰晶和水溶液兩相中含冰率大小為變化參數(shù)，研究冰晶在管道內流動阻力及換熱效果[4-5]，研究的對象是普通水溶液與冰晶。然而海水與冰晶作為流動介質，在冷卻管內流動換熱影響是研究的主要內容。為此，根據(jù)14 500 t散貨船海水冷卻系統(tǒng)在極地航行時的設計要求，針對海水冷卻管道內冰晶含量過大會造成冰塞的現(xiàn)象，提出以冷卻管內含冰率為主被控量、冰晶在冷卻管內速度分布為因變量，運用模擬分析數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)對比，選擇合適的冷卻管內平均含冰率區(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)律都不是簡單的線性規(guī)律，而海水冷卻管內溫差維持在5 K左右，這對海水-冰晶熱物性相關參數(shù)影響很小。

根據(jù)我國商船“永盛輪”第4次北極實地航行(2013-2015年)的科學考察數(shù)據(jù)，北極海冰的平均鹽度均在0.4%以下，海水-冰晶流動介質在極地環(huán)境下(一個標準大氣壓，鹽度為0.4%)冷卻管內流動換熱影響主要由密度、比定壓熱容、導熱系數(shù)及運動粘度決定，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流動換熱情況。

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)平均溫度設為320 K，管壁采用標準鋼材(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　流動介質熱物性參數(shù)

表2　水平海水冷卻管道相關參數(shù)

根據(jù)兩相流體的熱物理性質的變化特點，利用海水-冰晶兩相流換熱的數(shù)學模型及控制方程，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，方向為-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

為簡化計算，對流體作如下假設：①流體流動狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)流動；②采用標準k-ε湍流模型；③采用SIMPLIC 算法求解耦合速度場；④近壁面采用標準壁面函數(shù)法處理。計算所需控制方程如下。

質量方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

在此模型中，標準k-ε湍流模型用于計算湍流區(qū)流場， 其方程形式如下。

(4)

(5)

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍動能k的產生項；

Gb——由浮力引起的湍動能k的產生項；

Ym——可壓湍流中的脈動擴張的貢獻；

C1ε，C2ε，C3ε——經驗常數(shù)；

σk，σε——分別為與湍動能k和耗散率ε對應的Prandtl數(shù)；

Sk，Sε——用戶定義的源項[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——殼程當量直徑；

λ——流體導熱系數(shù)；

δ——水平直管當量直徑；

λs——固相熱導率；

λl——液相熱導率；

Tf——凝固點溫度；

Tw——壁面溫度；

Tm——管道流通截面內流體的平均溫度。

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速度場分布、管壁處表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h分布，以及換熱強弱程度Nu無量綱數(shù)分布。根據(jù)Nu分布判斷水平海水冷卻管內兩相流換熱是否充分。通過管內速度場分布可知冰晶最小速度是否為0 m/s(即minvice=0 m/s)，判斷管道內是否容易發(fā)生冰堆積。

1.3水平海水冷卻管道網格參數(shù)

根據(jù)CFD 軟件中的ICEM和FLUENT14.5 仿真工具進行建模仿真。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)建結構化網格，經網格質量分析可得Determinant 2×2×2的網格質量均布0.55～1.00，Angle網格質量均布45°～90°，根據(jù)與規(guī)范值比較[10](見表3)，可知該網格參數(shù)在規(guī)范值范圍內，不會成為仿真準確性的影響因素，即滿足網格質量要求。圖2所示分別為管壁和出入口界面的網格。

表3　網格參數(shù)與規(guī)范值比較

圖2　ICEM中水平海水冷卻管道網格

2　兩相流換熱計算結果分析

2.1水平直管內不同含冰率流動換熱結果分析

為了對比來檢驗來自不同含冰率梯度下海水冷卻管內兩相流體換熱的差異性，通過在FLUENT中不斷調試各個含冰率梯度等溫度仿真，仿真結果見表4。

表4　不同含冰率下管壁平均換熱

根據(jù)計算結果可知，隨著含冰率增加，海水冷卻管內冰晶最小速度從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，海水冷卻管內冰晶速度vice=0 m/s時，冰晶停留在海水冷卻管內，長時間的堆積會堵塞海水冷卻管道，導致海水冷卻管內海水-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，管壁處的換熱強度(即管壁平均努塞爾數(shù)Nu)越來越強。

圖3　不同含冰率計算結果

含冰率在4%～15%之間變化時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，海水-冰晶兩相流體在管壁處換熱不會隨IPF過大或過小而導致淡水冷卻系統(tǒng)換熱不均勻，防止船舶機艙裝置熱量過多積累，甚至出現(xiàn)動力設備裝置被燒壞的現(xiàn)象。

冷卻管內平均努塞爾數(shù)Nu隨管內含冰率的增加突增，并且含冰率在3%～4%之間時，換熱系數(shù)h及平均努塞爾數(shù)Nu呈突變增長，說明在此區(qū)間冷卻管內兩相流形成強烈擾動，換熱率達到最高，管內換熱強度變大，換熱更充分。

2.2水平直管內最佳含冰率區(qū)間對比分析

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)對結果的分析，為保證冷卻系統(tǒng)正常冷卻船舶動力系統(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上進行的，所以取值2%。通過與參考數(shù)據(jù)對比來驗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比　%

對比參考值與仿真值可知，為保證海水冷卻管內換熱強度增加，達到換熱更充分及避免管內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　結論

1)根據(jù)仿真值與以往學者實驗數(shù)據(jù)對比得出平均含冰率區(qū)間為2%～6%，說明極地運輸船冷卻管內確實存在最優(yōu)平均含冰率區(qū)間。利用管內冰晶流動速度是否為零，判斷冷卻管內是否發(fā)生冰塞，該判斷標準在其他領域也有較為廣泛的應用。

2)本文仿真的重點與先前學者實驗皆是研究含冰率在管道內流動阻力的影響，先前學者研究的對象是普通水溶液與冰晶，而本文研究的對象是海水與冰晶。

3)仿真過程中，含冰率在3%～4%時，冷卻管內換熱發(fā)生突變，在假設條件一定的情況下，水平冷卻管內兩相流穩(wěn)態(tài)流動為何會突然發(fā)生強烈擾動，其具體成因及規(guī)律有待繼續(xù)研究。

4)對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，需要進行實驗，從而獲得更為準確的數(shù)據(jù)。

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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

國家自然科學基金面上項目(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:船舶清潔能源技術應用，船舶動力裝置性能分析

E-mail:angfazhang@163.com