加熱管布置對燃油艙預(yù)熱效果影響的計算分析

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(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

在外界環(huán)境溫度較低時，艦船的燃油艙溫度較低，燃油粘度相對較高，如果不進行預(yù)熱，油艙內(nèi)燃油的吸入阻力可能超出燃油泵的工作范圍，使得燃油總管流量降低，甚至管內(nèi)燃油無法流動。因此，在實船設(shè)計中，常常在油艙內(nèi)布置加熱管道，對燃油進行預(yù)熱，降低燃油粘度[1-2]。

對于蒸汽動力船舶而言，一般采用飽和蒸汽作為加熱介質(zhì)，相比于電加熱，蒸汽加熱具有節(jié)省能源、加熱管布置靈活等優(yōu)點。采用蒸汽對燃油進行加熱時，加熱管可以單排布置于艙底，也可以多排布置，或者直接使用集成蒸汽換熱器。目前對盤管式油艙加熱裝置的設(shè)計和計算已有標準和成熟的計算程序[3-4]，對集成蒸汽換熱器方面的研究亦有相關(guān)報道[5]，但是加熱管不同布置方案對加熱效果及燃油艙整體溫度分布的影響，未見相關(guān)報道。本文利用數(shù)值計算方法，對比分析了一排、二排和集成加熱三種布置方案，總結(jié)了三種方案下燃油艙溫度分布的特點，為燃油艙加熱管布置方案選取以及監(jiān)測點設(shè)置提供理論基礎(chǔ)。

1 數(shù)學模型與邊界條件

1)連續(xù)方程。

▽·v=0

(1)

2)動量方程。

▽)v=-▽pt+μ▽2v+ρg

(2)

3)能量方程。

▽)T=k▽2T+Φ

當我信步來到了一棟教學樓前時，透過玻璃門，我看見大廳里一側(cè)的桌子旁坐著一位年輕的保安，當時他手里拿著一本厚厚的文學書籍，正在旁若無人地閱讀著，顯得溫文爾雅。

(3)

式中:v——速度矢量;

ρ——密度;

pt——壓力;

μ——動力粘度;

g——重力加速度;

c——工質(zhì)比熱容;

T——溫度;

k——熱傳導(dǎo)系數(shù);

Φ——粘性耗散項。

如果流體在浮升力驅(qū)動下作用，而壓力場由動壓和靜壓組成，則動壓梯度可以寫成：▽ph=ρ0g，則動量方程變成

▽)v=-▽pt+μ▽2v+(ρ-ρ0)g

(4)

根據(jù)Boussinesq假設(shè),

(ρ-ρ0)=ρβ(T0-T)，T0、ρ0為參考溫度和密度。則動量方程變成

(5)

所模擬的油艙加熱流場熱源為飽和蒸汽，因此加熱管可以看成恒溫邊界，給定加熱溫度，并假設(shè)周圍油艙、上部與空氣及底部與海水接觸壁面為恒溫邊界。

工程中常用瑞利數(shù)(Ra)衡量自然對流強度：

分別考慮一排加熱管、兩排加熱管、集成加熱管三種加熱方案對燃油溫度分布、加熱效果的影響。油艙寬2 m，高1.5 m，見圖1。

圖1 計算域幾何參數(shù)(二排加熱管布置方案)

僅分析加熱管布置對燃油艙溫度分布的影響，不考慮加熱管端部換熱情況，將實際油艙簡化成二維模型。加熱管外徑48 mm，共23根，一排加熱管布置方案中，加熱管水平間距87.8 mm，加熱管中心距離艙底150 mm，沿油艙中心線兩側(cè)對稱布置；二排加熱管布置方案中，加熱管水平間距150 mm，豎直間距100 mm，底部加熱管中心距離艙底100 mm；集成加熱管布置方案中，加熱管共5排，水平間距85 mm，豎直間距74 mm，加熱管距離艙底150 mm。利用GAMBIT軟件劃分計算域網(wǎng)格，采用四邊形形體結(jié)合的網(wǎng)格劃分方式，并且加熱管壁面附近劃分邊界層網(wǎng)格，見圖2。

圖2 計算域網(wǎng)格及邊界層網(wǎng)格劃分(二排加熱管布置方案)

加熱管溫度為184 ℃，初始油溫為5 ℃，利用FLUENT 6.3求解上述基本方程。

2 計算結(jié)果及分析

燃油在油艙內(nèi)的加熱過程屬于自然對流換熱，從加熱管形狀角度講，屬于橫圓柱大空間自然對流換熱范疇。在高溫圓柱體附近由于壁面與周圍流體的熱交換作用，溫度場呈現(xiàn)出不均勻分布，進而造成密度場分布不均勻，由此產(chǎn)生的浮升力使得流場發(fā)生流動。對于單個橫圓柱大空間自然對流而言，在圓柱附近，高溫區(qū)域出現(xiàn)在圓柱上方，并沿重力反方向呈現(xiàn)“尖錐形”分布，見圖3，并在左右兩側(cè)形成兩個渦旋，見圖4。

圖3 單個圓柱自然對流換熱溫度分布

圖4 單個圓柱自然對流流線分布

當高低熱源溫差增大，即整個換熱場Ra數(shù)增加后，流場呈現(xiàn)湍動，有研究表明，Ra數(shù)增加至107后，對于圓柱表面Nu數(shù)呈現(xiàn)周期性湍動。對于本文研究對象，加熱管附近除了具有上述溫度分布特點外，還存在加熱管之間的耦合作用，對于單排管來講，換熱場的耦合作用來源于水平方向的相鄰管道，而對于兩排管來講，除了水平相鄰管道外，還存在于豎直方向，當管道集中排列后，耦合場變得更加復(fù)雜。

圖5給出了3種方案加熱1.5 h后溫度場分布情況。

對比3種方案可以看出，對于單排布置方案，在管路附近水平方向溫度較高，但是由于加熱管間的相互影響，每個加熱管產(chǎn)生的“高溫流體上升區(qū)域”出現(xiàn)匯合，使得燃油溫度在加熱管上方呈現(xiàn)不均勻分布，且具有不對稱性，見圖5a)。在1.5 h時刻，油艙內(nèi)出現(xiàn)3處高溫流體上升匯合區(qū)域，分別位于左側(cè)、中間和右側(cè)。對于兩排加熱管平行布置方案，亦存在上升匯合區(qū)域，并且除了左右相鄰的加熱管間相互干擾外，還存在上下兩排加熱管的溫度場耦合作用，被下排加熱管加熱的流體溫度升高，向上方運動，并受到上方加熱管的干擾，并最終與上方加熱管耦合作用，形成明顯的“高溫上升區(qū)域”，且具有不對稱性分布特點。在1.5 h時刻，油艙左側(cè)內(nèi)出現(xiàn)了明顯的相對高溫區(qū)域，見圖5b)。當加熱管集成布置后，整個油艙內(nèi)出現(xiàn)一處明顯相對高溫區(qū)域，并且逐漸向上發(fā)展、擴散，觀察每個加熱管附近溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，加熱管附近的高溫流體均向著油艙中心流動，這使得相對于一排、兩排布置方案，集成布置方案的“高溫上升區(qū)域”更為集中，且整個油艙在豎直方向，溫度分布梯度明顯，見圖5c)。

圖5 不同方案加熱1.5 h后溫度分布

為了對比分析不同布置方案對燃油溫度分布的影響，在豎直和水平方向截取了溫度分布曲線，見圖6。圖6a)、b)給出了在X=0.5 m和1 m處，溫度沿液面高度方向分布情況。可以看出，對于一排、二排布置方案，燃油溫度沿高度方向呈現(xiàn)不均勻分布，距離加熱管較近處，溫度分布較高，隨著高度的增加溫度分布呈現(xiàn)振蕩，而集成布置方案中，燃油溫度沿高度方向成線性增加。圖6c)、d)、e)給出了Y=0.5、0.75、1.2 m處油艙內(nèi)溫度沿水平方向分布情況。可以看出，對于3個典型液位高度，集成加熱方案的燃油溫度均高于其他兩種布置方案，而且集成加熱方案在油艙中心附近存在一個穩(wěn)定高溫區(qū)域，偏離高溫區(qū)域的燃油溫度基本上處于水平分布，說明燃油在水平方向溫度梯度較小，而對于一排、二排布置方案，在水平方向上，燃油溫度分布具有一定的梯度。

圖6 不同布置方案燃油艙內(nèi)水平、豎直燃油溫度分布

通過對不同加熱方案燃油溫度分布的對比分析，可以看出，加熱管的布置影響了燃油溫度分布梯度，主要體現(xiàn)在“高溫流體上升區(qū)域”的位置和穩(wěn)定性，以及水平、豎直方向的溫度分布梯度。在實際使用過程中，需要對燃油溫度進行實時監(jiān)測，以便對燃油平均加熱溫度進行控制。通過以上分析可知，集成加熱方案燃油溫度相對穩(wěn)定，燃油沿高度方向溫度分布成線性增加。因此，采用集成加熱布置方案有利于燃油溫度的監(jiān)測和控制，見圖7，給出了油艙內(nèi)某監(jiān)測點(X=1 m，Y=0.75 m)溫度隨時間變化曲線，隨著加熱時間的增加，燃油溫度逐漸升高，一排和二排布置方案，監(jiān)測點溫度曲線存在明顯波動，且一排加熱管布置方案溫度波動幅度最大，以加熱1.0～1.5 h時間段為例，監(jiān)測點燃油溫度由27 ℃下降至18 ℃，隨后又上升至42 ℃，而集成布置加熱方案監(jiān)測點溫度隨著時間的增加，幾乎呈線性增長，溫升曲線僅存在較低幅值的振蕩，溫度振蕩范圍在2 ℃范圍內(nèi)。

圖7 不同布置方案X=0.5 m，Y=0.75 m處燃油溫度隨時間的變化

當加熱管集成布置后，高溫區(qū)域向著油艙中心集中，這使得在油艙壁面附近的熱量損失減少，提高了加熱效率，加熱1.5 h集成布置方案燃油平均溫度比一排方案高3.2 ℃，見表1。

表1 不同布置方案加熱效果對比

3 結(jié)論

1)加熱管附近溫度場存在相互耦合作用，這種耦合作用使得在Ra數(shù)相對較低時，油艙在水平方向出現(xiàn)不均勻溫度分布，且一排、二排布置方案更加明顯。

2)相比于一排、二排布置方案，采用集成布置方案燃油溫度分布更加穩(wěn)定，沿油艙高度幾乎呈線性增加；并且隨著加熱時間的增大，集成布置方案燃油溫度呈線性增加，而一排、二排布置方案存在較大的溫度波動，不利于溫度的監(jiān)測和油溫的控制。

3)當采用集成布置方案后，加熱相同時間，燃油溫度高于其余兩種方案。

結(jié)合2)、3)結(jié)論及實際現(xiàn)場施工情況，建議燃油艙加熱管采用集成布置方案，該方案燃油溫度分布穩(wěn)定，在加熱過程中燃油溫度波動較小，且加熱效率更高。

進行三維燃油預(yù)熱流場計算并考慮搖擺對加熱效果的影響是下一步研究重點。

[1] 張建平,庹艾莉,辛 宇.大型船舶燃油輸送監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].中國艦船研究,2014,9(2):111-116.

[2] 庹艾莉,計偉東,張建平,等.船舶油艙蒸汽加熱系統(tǒng)計算的軟件實現(xiàn)[J].中國艦船研究,中國艦船研究.2008,3(1):68-72.

[3] 全國海洋船標準化技術(shù)委員會.CB/T3373—1991油艙蒸汽加熱系統(tǒng)計算方法[S].北京:中國標準出版社,1991.

[4] 周志賢,楊令康,吳海榮.船舶燃油艙加熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計[J].船海工程,2013(6):26-28.

[5] 李世臣,甘輝兵,鄒奔騰,等.船用分油機仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國航海,2009,32(1):43-48.