张来来，徐　立，江焕宝，黄振飞，汤　冰

(武汉理工大学 能源与动力工程学院 a.高性能船舶技术教育部重点实验室 b.可靠性工程研究所，武汉 430063)



冰晶对极地船海水冷却管路两相流换热规律的影响

张来来a,b，徐立a,b，江焕宝a,b，黄振飞a,b，汤冰a,b

(武汉理工大学 能源与动力工程学院 a.高性能船舶技术教育部重点实验室 b.可靠性工程研究所，武汉 430063)

针对极地运输船海水冷却管路不同含冰率情况下冰塞形成问题，运用计算流体力学(CFD)数值模拟方法，计算分析14 500 t散货船部分水平海水冷却管路两相流流动特征，揭示管内冰晶运动速度分布与平均努塞尔数大小变化及管内是否存在不发生冰塞的平均含冰率区间。仿真结果表明，冷却管路平均含冰率超过7%会造成管内冰塞。与以往实验数据对比说明，极地航行时该散货船海水冷却管路确实存在最优含冰率区间，其最优平均含冰率控制区间为2%～6%。

极地船；冷却管路；海水-冰晶两相流；平均含冰率区间；FLUENT仿真；换热

船舶在极地低温海冰区运行时，会有大量细小冰晶顺水流进入海水冷却系统中，而海水冷却管道内冰晶所占比重(即含冰率)的多少会直接影响管壁换热程度和管道堵塞，适当的海水-冰晶混合能加强换热效果，但是冰晶含量相对较多时会造成管道堵塞[1]。为使极地运输船海水冷却系统在北极冰区高效稳定运行，避免发生大量堆积冰造成海水冷却管路堵塞和换热效率低下，甚至出现极地船动力系统瘫痪而失控的现象，合理控制含冰率的大小对极地运输船冷却系统换热大小和船舶动力装置的正常运行有极其重要的作用。目前，国际上针对船舶换热器管道换热的研究大都涉及船舶海水冷却管壳式换热器结垢换热性能分析及热交换器的最佳传热等[2-3]，国内有学者结合理论与实验方法，以管内冰晶和水溶液两相中含冰率大小为变化参数，研究冰晶在管道内流动阻力及换热效果[4-5]，研究的对象是普通水溶液与冰晶。然而海水与冰晶作为流动介质，在冷却管内流动换热影响是研究的主要内容。为此，根据14 500 t散货船海水冷却系统在极地航行时的设计要求，针对海水冷却管道内冰晶含量过大会造成冰塞的现象，提出以冷却管内含冰率为主被控量、冰晶在冷却管内速度分布为因变量，运用模拟分析数据与参考数据对比，选择合适的冷却管内平均含冰率区间。

1　流体参数及管道模型

根据仿真控制变量要求，海水冷却管道入口速度压力必须控制为定量，以保证冷却系统中换热的正确性。由于海水冷却管道在不同船型中布置形式有所不同，为了方便分析海水-冰晶两相流体换热特性，以下首先建立海水-冰晶热物性参数及部分水平海水冷却换热管道数学模型。

1.1海水冰晶热物性参数

海水和淡水相比，海水-冰晶主要的热物理性质随温度和盐度的变化较大，并且其很多热物性的变化规律都不是简单的线性规律，而海水冷却管内温差维持在5 K左右，这对海水-冰晶热物性相关参数影响很小。

根据我国商船“永盛轮”第4次北极实地航行(2013-2015年)的科学考察数据，北极海冰的平均盐度均在0.4%以下，海水-冰晶流动介质在极地环境下(一个标准大气压，盐度为0.4%)冷却管内流动换热影响主要由密度、比定压热容、导热系数及运动粘度决定，具体热物性参数见表1[6]。

根据表1的热物性参数，在FLUENT平台上创建海水-冰晶两相流流体，并且利用这些物性参数，模拟不同含冰率在冷却管内流动换热情况。

1.2水平海水冷却管道模型

根据“永盛轮”航行日记[7]，取14 500 t散货船海水系统中水平海水冷却管道为研究对象，壳程入口采用速度边界条件，出口为压力边界条件，管外淡水系统平均温度设为320 K，管壁采用标准钢材(12Cr1MoV无缝钢管)。水平海水冷却管道具体尺寸及入口速度等参数见表2。

表1　流动介质热物性参数

表2　水平海水冷却管道相关参数

根据两相流体的热物理性质的变化特点，利用海水-冰晶两相流换热的数学模型及控制方程，分析海水-冰晶两相流体在水平海水冷却管道(见图1)，其中冰晶的重力g=-9.8 m/s2，方向为-Z)中的换热情况，找到两相流体与淡水系统传热的换热系数变化规律。

图1　水平海水冷却管道

为简化计算，对流体作如下假设：①流体流动状态为稳态流动；②采用标准k-ε湍流模型；③采用SIMPLIC 算法求解耦合速度场；④近壁面采用标准壁面函数法处理。计算所需控制方程如下。

质量方程：

(1)

动量方程：

(2)

能量方程：

(3)

在此模型中，标准k-ε湍流模型用于计算湍流区流场， 其方程形式如下。

(4)

(5)

式中：Gk——由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项；

Gb——由浮力引起的湍动能k的产生项；

Ym——可压湍流中的脉动扩张的贡献；

C1ε，C2ε，C3ε——经验常数；

σk，σε——分别为与湍动能k和耗散率ε对应的Prandtl数；

Sk，Sε——用户定义的源项[8]。

海水-冰晶两相流体在水平海水冷却管道中湍流换热程度可用努塞尔数Nu表示[9]：

(6)

式中：h——水平换热管表面换热系数；

D——壳程当量直径；

λ——流体导热系数；

δ——水平直管当量直径；

λs——固相热导率；

λl——液相热导率；

Tf——凝固点温度；

Tw——壁面温度；

Tm——管道流通截面内流体的平均温度。

根据式(4)、(5)及(6)可得出海水-冰晶两相流体在水平海水冷却管内速度场分布、管壁处表面传热系数h分布，以及换热强弱程度Nu无量纲数分布。根据Nu分布判断水平海水冷却管内两相流换热是否充分。通过管内速度场分布可知冰晶最小速度是否为0 m/s(即minvice=0 m/s)，判断管道内是否容易发生冰堆积。

1.3水平海水冷却管道网格参数

根据CFD 软件中的ICEM和FLUENT14.5 仿真工具进行建模仿真。利用ICEM建立图1所示的三维水平海水冷却管道，并在所建模型上创建结构化网格，经网格质量分析可得Determinant 2×2×2的网格质量均布0.55～1.00，Angle网格质量均布45°～90°，根据与规范值比较[10](见表3)，可知该网格参数在规范值范围内，不会成为仿真准确性的影响因素，即满足网格质量要求。图2所示分别为管壁和出入口界面的网格。

表3　网格参数与规范值比较

图2　ICEM中水平海水冷却管道网格

2　两相流换热计算结果分析

2.1水平直管内不同含冰率流动换热结果分析

为了对比来检验来自不同含冰率梯度下海水冷却管内两相流体换热的差异性，通过在FLUENT中不断调试各个含冰率梯度等温度仿真，仿真结果见表4。

表4　不同含冰率下管壁平均换热

根据计算结果可知，随着含冰率增加，海水冷却管内冰晶最小速度从vice>0 m/s区域逐渐趋于vice=0 m/s区域，并且在IPF=7%左右开始出现minvice=0 m/s区域，随着IPF>7%增加minvice=0 m/s区域越来越多。在IPF=7%之后，海水冷却管内冰晶速度vice=0 m/s时，冰晶停留在海水冷却管内，长时间的堆积会堵塞海水冷却管道，导致海水冷却管内海水-冰晶两相流体与淡水系统换热不充分。

不同含冰率下管壁平均表面传热系数h和管壁平均努塞尔数Nu变化见图3。随着含冰率的增加，海水-冰晶在管壁处的平均换热程度(即h)大体上降低。但是随着含冰率增加，管壁处的换热强度(即管壁平均努塞尔数Nu)越来越强。

图3　不同含冰率计算结果

含冰率在4%～15%之间变化时与水平海水冷却管道的管壁换热呈近似线性变化，说明在此IPF变化范围内，海水-冰晶两相流体在管壁处换热不会随IPF过大或过小而导致淡水冷却系统换热不均匀，防止船舶机舱装置热量过多积累，甚至出现动力设备装置被烧坏的现象。

冷却管内平均努塞尔数Nu随管内含冰率的增加突增，并且含冰率在3%～4%之间时，换热系数h及平均努塞尔数Nu呈突变增长，说明在此区间冷却管内两相流形成强烈扰动，换热率达到最高，管内换热强度变大，换热更充分。

2.2水平直管内最佳含冰率区间对比分析

在水平海水冷却管道中，普通水溶液与冰晶不形成冰塞的最适宜含冰率范围一般维持在2%～15%[11]。根据对结果的分析，为保证冷却系统正常冷却船舶动力系统，必须保证含冰率保持定量上限。而仿真含冰率下限值是在参考值基础上进行的，所以取值2%。通过与参考数据对比来验证所需平均含冰率区间(见表5)，即满足所需的平均含冰率区间为2%～6%。

表5　不发生冰塞情况下含冰率(IPF)上下限参考值与仿真值对比　%

对比参考值与仿真值可知，为保证海水冷却管内换热强度增加，达到换热更充分及避免管内因冰晶堆积而造成管道堵塞，确保该散货船极地航行的安全性，最佳含冰率区间为IPF=2%～6%。

3　结论

1)根据仿真值与以往学者实验数据对比得出平均含冰率区间为2%～6%，说明极地运输船冷却管内确实存在最优平均含冰率区间。利用管内冰晶流动速度是否为零，判断冷却管内是否发生冰塞，该判断标准在其他领域也有较为广泛的应用。

2)本文仿真的重点与先前学者实验皆是研究含冰率在管道内流动阻力的影响，先前学者研究的对象是普通水溶液与冰晶，而本文研究的对象是海水与冰晶。

3)仿真过程中，含冰率在3%～4%时，冷却管内换热发生突变，在假设条件一定的情况下，水平冷却管内两相流稳态流动为何会突然发生强烈扰动，其具体成因及规律有待继续研究。

4)对于此极地航行的散货船甚至未来发展极地商用型船舶，在海水冷却系统中，选择合理的平均含冰率控制区间是必不可少的工程研究。

5)本文研究结果都是基于仿真软件的数值模拟分析，为了深入研究，需要进行实验，从而获得更为准确的数据。

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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

国家自然科学基金面上项目(51479152)

张来来(1991—)，男，硕士生

U664.81

A

1671-7953(2016)04-0094-04

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.04.022

研究方向:船舶清洁能源技术应用，船舶动力装置性能分析

E-mail:angfazhang@163.com