SPB型LNG運輸船溫度場研究

馬晨增，唐文勇

（1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海裝備協同創新中心，上海 200240）

SPB型LNG運輸船溫度場研究

馬晨增1,2，唐文勇1,2

（1. 上海交通大學 海洋工程國家重點實驗室，上海 200240；2. 高新船舶與深海裝備協同創新中心，上海 200240）

對SPB型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運輸船的溫度場進行研究，該類型船區別于薄膜型船的獨特的結構設計使得其溫度場分析有一定的難度。在構建船體傳熱模型時，對特殊構件的熱對流效應、船體內部對流傳熱空間的劃分和對流換熱系數的計算方式等問題進行分析，并做出合理的處理。以大型有限元軟件MSC.Nastran和MSC.Patran為平臺建立有限元模型，利用控制語言PCL編寫計算程序，求解船體溫度場。

LNG運輸船；SPB型液艙；對流換熱系數；對流空間；結構溫度場

0 引 言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運輸船（簡稱LNG船）由于裝載極低溫（-163℃）的LNG，使得整個船體結構存在著巨大的溫度差異，最高溫差可達到200K。如此大的溫差帶來的溫度應力對船體結構的安全性有一定的影響，因此研究該類型船舶的溫度場具有重要意義。

大型LNG船具有內外溫差大、內部結構和傳熱過程復雜的特點。國內外相關學者已針對LNG船的溫度場進行大量研究，例如：余祥虎[1]利用ANSYS軟件計算薄膜型液艙的溫度和應力場；章偉星等[2]和馮武文等[3]利用船體對稱性，通過對ANSYS軟件進行二次開發，求解1/4液艙在8種工況下的溫度分布，并計算各工況下的換熱功率及日蒸發率；丁仕風等[4]基于MSC.Patran開發專用計算模塊，求解船體內部各構件之間的對流耦合系數，簡化LNG船溫度場分析過程；ROH等[5-6]針對陸上LNG儲罐，采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件分析外界熱量的流入對其蒸發率的影響；SHAHRIAR[7]建立空心圓柱體的分析模型，研究其溫度場及溫度應力。

上述研究主要針對的是陸上LNG儲罐和薄膜型LNG船，將構建的傳熱模型直接應用到SPB型船溫度場的分析中尚有不妥之處。SPB型船由于具有獨特的結構設計，其熱量傳遞方式呈現出不同于薄膜型船或陸上LNG儲罐的特征。本文根據SPB型船的結構特點和傳熱特性，針對其存在的問題對支承結構熱對流效應的影響及船體板對流換熱系數的確定等進行研究，構建相應的傳熱模型并計算船體溫度場。

1 SPB型船傳熱特性

區別于常見的薄膜型LNG船，獨立型LNG船的液艙與主船體是分開建造的，由具有獨特結構的支承構件與主船體連接。液艙壁材料一般選用鋁合金或9%鎳鋼，并利用絕熱材料覆蓋在艙壁外部[8]。B型獨立液艙指的是采用精確分析手段確定液艙的應力水平和疲勞壽命等特性之后設計的液艙，SPB型液艙是其代表艙型[9]。典型的SPB型LNG船橫剖面圖見圖1。

薄膜型船與SPB型船在結構設計上的不同導致兩者的熱量傳遞模式存在較大差異，圖2和圖3分別為2種船型的熱量傳遞模式示意。

圖1 典型的SPB型LNG船橫剖面圖

圖2 薄膜型船熱量傳遞模式示意

圖3 SPB型船熱量傳遞模式示意

由圖2和圖3可知，與薄膜型船相比，SPB型船的熱量傳遞模式呈現出不同的特點，而這些特點也給其溫度場的分析帶來一些新的問題：

1) SPB型船的液貨艙獨立于主船體結構，在兩者之間形成一個封閉的特殊空腔室，外界熱量需經過船體外殼、外層空氣、船體內殼、內層空氣、絕熱層及液艙壁才能傳遞到液艙內部。在研究薄膜型船的溫度場時，有時采用的簡化方法是將船體內部的空氣視為全流通，即只有1個溫度，這明顯不適用于SPB型船。因此，在計算SPB型船內部對流傳熱時，必須適當地劃分出不同的對流空間。

2) SPB型船的絕熱材料是附在液艙壁外側的，其外表面直接與空氣接觸，參與對流換熱。在與空氣進行對流換熱時，絕熱材料與船體構件之間存在差異，因此不能簡單地假設船體內部結構的對流換熱系數全部一致，有必要分類計算各構件的對流換熱系數。此外，在確定對流換熱系數時，是否有必要采用耦合算法也需作進一步分析。

3) SPB型船的液貨艙與主船體之間通過特殊的支承構件連接。這些支承構件在以傳導的方式將船體的熱量傳遞給液艙的同時，還參與對流換熱，其換熱量對內層對流空間溫度的影響程度有待進一步分析。

2 SPB型船傳熱模型

針對SPB型LNG船溫度場分析存在的問題，結合該船的結構特點和傳熱特性構建相應的傳熱模型。

2.1 傳熱方式

本文認為船體內部主要的傳熱方式為結構的熱傳導和結構與空氣之間的熱對流，將熱輻射的影響與對流換熱系數耦合。在熱傳導計算中，忽略溫度對各材料導熱系數的影響。此外，認為熱對流主要發生在船體板與空氣之間，在計算對流換熱時，將船體骨架視為船體板的散熱肋片，即船體板的對流換熱系數乘以一個影響系數。

2.2 對流空間

由第1節的分析可知，必須對SPB型船的內部空間進行劃分，不能采用內部空氣全流通的假設，其內部至少存在內外2層對流空間。內層對流空間內的結構較少，不必再進行劃分，將其記為空間1；結合船體構件對空氣流通性的影響，將外層空間劃分為3個封閉的對流空間，分別記為空間2，空間3和空間4（見圖4）。

根據中國船級社《薄膜型液化天然氣運輸船檢驗指南》的建議，認為對流空間內的溫度是均勻分布的，由該空間熱平衡方程得出，即：

圖4 對流空間劃分示意圖

式(1)中：Tc為對流空間內空氣的溫度；hi為與圍成對流空間的第i塊板的對流換熱系數；Ai為第i塊板的面積；Tsi為第i塊板的溫度。

2.3 對流換熱系數

在溫度場的計算中，船體結構溫度、船體構件與周圍流體的對流換熱系數和對流空間溫度是互相耦合的。在計算對流換熱系數時，一般先假設對流換熱系數和對流空間溫度的初值，根據對流空間熱平衡方程及熱對流相關理論，綜合考量結構溫度、對流換熱系數和對流空間溫度之間的耦合關系，然后迭代求解，得到最終的結果。

一般認為船體內部傳熱符合大空間自然對流模型。對流換熱系數與船體板的溫度、幾何位置、傳熱性質和周圍流體的特性等因素有關，因此需對船體板進行分類（見圖5）。由第1節的分析可知，在圍成內層對流空間的壁中，有一類特殊的船體板（即絕熱層，見圖5中的12～16）。絕熱層內外表面的溫差極大，不能將厚度方向上的平均溫度作為計算其與內層空間對流換熱系數的依據。本文將絕熱層外表面假設是一塊厚度很小的“板”，絕熱層的對流換熱通過該“板”進行。具體實施時，在大型有限元軟件MSC.Patran中采用塊單元模擬絕熱層，并在絕熱層外表面附上一層板單元，讀取該層板單元的溫度，將其作為計算絕熱層與內層空間對流換熱系數的依據。

圖5 船體板劃分示意

在大空間自然對流換熱模型中，結構的對流換熱系數可通過以下方式計算[10-11]。

1) 垂直板的自然對流換熱系數的計算式為

對于與鉛垂線的夾角＜60°的傾斜板，也可采用式(2)計算。式(2)中，RaL為瑞利數；Pr為普朗特數。

2) 水平板的自然對流換熱系數的計算式為

(1) 熱板向上或冷板向下

(2) 熱板向下或冷板向上

在求得Nu后，依據式(5)即可求出相應的對流換熱系數。

通過這種方式可較為準確地計算內部各構件的對流換熱系數，但計算量較大。在分析薄膜型LNG船的溫度場時，常用的簡化算法是事先根據經驗數據預估各構件的對流換熱系數，只考慮對流空間溫度和船體結構溫度的耦合。本文分別采用耦合算法和簡化算法進行計算，比較這2種算法在分析SPB型船溫度場時的適用性。

2.4 支承構件

根據船舶設計資料，在一個艙段內，支承結構與對流空間內空氣的接觸面積約為206.34m2，而圍成對流空間船體板的面積為13135.68m2，兩者的比值約為1.5%，可見支承構件與空氣的對流換熱量對空間溫度的影響非常小。根據實際計算結果，考慮到支承構件對流換熱后對流空間溫度的變化幅度＜1%，在分析SPB型船的溫度場時可忽略支承構件的對流換熱效應。

2.5 分析流程

在船體傳熱模型構建完成之后，按圖6給出的溫度場分析流程進行溫度場的計算。

圖6 溫度場分析流程

3 船體溫度場的計算

本文以大型有限元軟件MSC.Nastran和MSC.Patran為平臺建立及分析船體有限元模型，利用其控制語言PCL編寫計算程序，求解船體結構溫度場。

3.1 溫度場計算

采用《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》[12]建議的環境工況（見表1），分3種方式確定船體構件對流換熱系數（見表2）。

表1 環境工況

表2 船體構件對流換熱系數 W/(m2.K)

表2中，方式1和方式2為依據參考文獻及經驗數據[1,4,11]事先確定的2組對流換熱系數。

3.2 結果分析

3種方式的溫度場計算結果見圖7。

圖7 船體結構溫度場云圖

表3和表4分別給出3種方式下對流空間的溫度及典型船體構件的溫度。由計算結果可知，船體溫度場對構件的對流換熱系數十分敏感。

表3 各對流空間溫度

表4 典型船體構件溫度

方式1和方式2中預估了2組對流換熱系數，且所取數值都在鋼板與空氣對流系數的合理范圍內，但從結果上來看兩者相差較大，其中，對流空間2的結果相差達到658%，上甲板的結果相差達到226%。方式2的對流系數取值更大，因此其計算結果更接近于環境溫度。方式1和方式2在預估內部空氣與船體板的對流系數時，認為這些系數是一致的，忽略了船體板幾何位置及周邊環境等因素的影響，因此預估的對流系數必須能準確反映整體結構的平均對流傳熱水平，當結構之間的傳熱特性存在很大差異時，這是很難實現的。這種方法曾被應用到薄膜型LNG船船體溫度場的模擬中[1,4]，而SPB型船的內部結構和傳熱過程更為復雜，船體結構的對流系數差異也更為明顯，因此預估對流系數的算法對SPB型船溫度場分析的適用性不強。

從方式1、方式2和方式3的結果比較中來看，由于采用的算法不同，得到的結果相差較大，方式3所采用的耦合算法分類計算各船體板的對流換熱系數，能更為準確地反映SPB型船的傳熱特征，因此推薦使用耦合算法分析SPB型船的溫度場。

4 結 語

本文研究SPB型LNG船的溫度場，針對構建船體傳熱模型時遇到的問題進行相關研究。結合該型船的結構特點和傳熱特性做出合理的處理，包括：不采用船體內部空氣全流通假設，而是劃分出若干個對流空間；通過分析認為：支承構件的熱對流效應可忽略，將絕熱層外表面視為廣義船體板，并在有限元模型中做相應處理。最后通過比較計算結果，推薦采用耦合算法確定船體構件的對流換熱系數。研究成果對SPB型LNG船溫度場分析具有一定的參考意義。

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Research on the Temperature Field of SPB Type LNG Carrier

MA Chen-zeng1,2，TANG Wen-yong1,2

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

This paper studies the temperature field of SPB type LNG (Liquefied Natural Gas，LNG) carrier though the unique structural design different from the membrane design makes it difficult to do so. Problems such as the thermal convection effect of special components, the division of inner hull thermal convection space and the calculation method of convective heat transfer coefficient are analyzed and properly treated during the establishment of the hull heat transfer model. The finite element model is established based on the powerful finite element software MSC.Nastran and MSC.Patran, and the hull temperature field is solved by a calculation program written with the control language PCL.

LNG carrier; SPB type liquid tank; convective heat transfer coefficient; convection space; structure temperature field

U661.73；U674.133.3

A

2095-4069 (2017) 05-0028-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.005

2016-06-03

馬晨增，男，碩士生，1993年生。2015年畢業于上海交通大學船舶與海洋工程系，現主要從事船舶與海洋工程結構力學研究。