薄膜型LNG船橫向隔離艙溫度場分析的簡化算法

呂立偉吳嘉蒙余勇華

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；2.江蘇新揚子造船有限公司 靖江214532）

薄膜型LNG船橫向隔離艙溫度場分析的簡化算法

呂立偉1吳嘉蒙1余勇華2

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011；2.江蘇新揚子造船有限公司 靖江214532）

國內針對薄膜型LNG船的溫度場分析中，縱向構件及空間的計算結果已能保證一定的計算精度，但對于橫向隔離艙通常未予關注，或計算結果與某薄膜型圍護系統設備商（如GTT）的差異較大。文中針對薄膜型LNG船的橫向隔離艙進行溫度場分析，提出一種簡化的計算方法，并研究歸納了一組自然對流系數的簡化公式。通過和GTT提供的結果對比，證明該方法可行，且能保證一定的計算精度。

薄膜型LNG船；橫向隔離艙；溫度場；自然對流系數

引 言

溫度場計算分析是液化氣船，特別是LNG船設計過程中非常重要的一項內容，它不僅決定了船體結構的鋼級選擇，也是計算LNG船日蒸發率的主要依據。薄膜型LNG船是我國船舶行業的重點研究目標，國內對薄膜型LNG船的溫度場分析已進行較多研究［1-4］，包括環境工況、絕緣箱熱傳導系數、是否考慮輻射傳熱、不同溫度場計算假定等。其中大部分研究都是針對LNG船縱向構件/空間的溫度場，已能保證一定的計算精度；但對于橫向隔離艙壁的溫度場分析較少，僅有的研究結果與薄膜型貨艙圍護系統設備商（如Gaztransport & Technigaz，以下簡稱GTT）提供的數據差別較大。

眾所周知，薄膜型LNG船的橫向隔離艙壁布置是《國際散裝運輸液化氣體船舶構造和設備規則》（以下簡稱“IGC規則”）強制要求的。其布置在兩個液貨艙之間，內部設置有考慮100%冗余的加熱系統，能保證隔離艙的內部溫度維持在5℃，橫艙壁板維持在0℃以上。因此，溫度場分析時通常都考慮隔離橫艙壁內的加熱效應，選取橫艙壁板結構用鋼鋼級時也都采用A級鋼（按IGC規則要求最低設計溫度為0℃以上）。

但作為確定隔離橫艙壁內加熱系統功率的重要參考依據，不考慮加熱效應下的隔離橫艙壁溫度場分析也屬于薄膜型LNG船溫度場分析的關鍵技術之一，有必要進行研究并提高其計算精度和計算效率。

1 隔離艙溫度場的簡化算法

溫度場分析時，主要考慮三種傳熱方式［5］：熱傳導、對流換熱和輻射傳熱。文獻［3］認為：如進行的溫度場分析是用于確定結構用鋼的鋼級，不考慮輻射傳熱是偏于保守的。

決定熱傳導的關鍵是絕緣箱的導熱系數，從不同文獻看取值差異較大［3］，相關文獻中也對絕緣箱的導熱系數進行了估算，建議次絕緣箱的導熱系數取值為0.0278（W/m·K）［6］。

決定對流換熱的關鍵是對流換熱系數的選取。在工程上求取對流換熱系數的常用方法：首先根據相似論或因次分析方法，確定一組和對流換熱過程相關的無因次數群，如普朗特準則數Pr、雷諾準則數Re、格拉曉夫準則數Gr、努塞特準則數Nu等；然后通過試驗求得它們之間的關系，再進而求解得到對流換熱系數［3］。對于隔離艙空間而言，對流換熱主要取決于自然對流換熱。

1.1 自然對流換熱系數的簡化公式

針對不同的自然對流模型，可根據試驗求得相應的試驗關聯公式。對于LNG船而言，試驗關聯公式多基于大空間的自然對流模型。經研究發現，當空氣的溫度確定時，自然對流換熱系數h僅和溫差以及幾何特征長度L有關。因此，自然對流換熱系數可簡化為如下公式：

式中：a是與空氣相關的特性系數。

對于LNG船，不同區域的幾何特征長度可通過歸納得到。文獻［5］基于大空間自然對流模型和試驗關聯公式，并結合薄膜型LNG船的結構布置特點，針對進行了研究，并最終將式（1）簡化為如下公式。

對于熱水平板上表面：

1.2 計算假設

橫向隔離艙的溫度場簡化分析時，假定：

（1）主屏壁破損、次屏壁完整。

（2）忽略船體結構的傳導換熱損失。

（3）忽略絕緣層和LNG之間的換熱損失。

（4）忽略輻射換熱。

（5）考慮船體骨材引起的肋片效應。所謂肋片，在傳熱學中定義為：為增強傳熱，附加于固體壁面上的一種擴展形式的換熱面。

1.3 計算模型及邊界條件

對于任何一個艙室，當處于熱平衡狀態時，根據能量守恒定律，艙室內介質（空氣或海水）和構成該艙室的各個結構構件間的換熱量始終是恒定的，即各艙室總換熱量為0。對于橫向隔離艙壁溫度場分析時，完全基于能量守恒定律（如下頁圖1所示），關系式為：

圖1 橫向隔離艙空間簡化模型

1.4 簡化分析的計算流程

（1）確定環境計算工況。

（2）計算船體縱向空間的溫度。

（3）設定橫艙壁溫度的初始值。

（4）計算隔離艙空間的溫度。

（5）計算隔離艙各邊界面上的自然對流換熱系數。

（6）計算隔離艙空間各個邊界面上的流入（流出）熱量。

當滿足式（6）時，認為已達到熱平衡；否則，繼續調整橫艙壁溫度，并進行步驟（4）-步驟（6）。

（7）得到橫艙壁及隔離艙空間的溫度。

2 算例分析

針對某22萬m3薄膜型LNG船的船舯典型橫向隔離艙和船尾隔離艙進行溫度場簡化分析。

2.1 計算工況

環境溫度條件見表1。對于尾部隔離空艙，由于其后部為機艙，假定機艙空間溫度設定為5℃。

表1 溫度場計算的環境條件

2.2 縱向空間的溫度場計算結果

目標船縱向空間的溫度分布計算結果如表2所示。

表2 目標船縱向空間的溫度分布℃

2.3 橫向隔離艙溫度場計算結果

限于篇幅，以下僅出船舯典型橫向隔離艙和船尾隔離艙溫度場計算的最后一步疊代計算結果，分別如下頁表3和表4所示。

2.4 與GTT結果對比

GTT公司針對該目標船也進行了溫度場預報，環境工況與本文完全一致。表5給出了船舯典型橫向隔離艙和船尾隔離艙與GTT的結果對比。

表3 船舯典型隔離艙溫度場簡化計算結果

表4 船尾隔離艙溫度場簡化計算結果

表5 橫向隔離艙壁的溫度分布對比℃

由表5可見，基于本文自然對流換熱系數簡化公式的溫度場計算結果，與GTT提供的結果基本一致，誤差不超過1.1℃，說明本文的計算方法是可行的，自然對流換熱系數的簡化公式是可靠的。另外，采用本文的計算方法不必進行有限元分析，僅在Excel中編制計算表格即可完成，對于工程實際而言效率較高。

3 結 論

文中給出一種計算LNG船橫向隔離艙溫度場的簡化計算方法，并且對LNG船的自然對流換熱系數進行了簡化處理。經算例分析，計算結果與GTT的結果基本一致，表明本文采用的簡化公式可靠、計算方法可行，大大減少了有限元建模工作量，且較好地提高了對工程實際應用效率。

此外，本文歸納的自然對流換熱系數簡化公式也適用于薄膜型LNG船縱向構件的溫度場簡化計算和其他液化氣船的溫度場分析，不過，這尚有待業界進一步證明。

［1］ 章偉星，李科浚，周昊，等.薄膜式LNG運輸船溫度場研究［J］.天然氣工業，2005，25（10）：110-112.

［2］ 章偉星，莫鑒輝，金立明，等. 138 000 m3薄膜式LNG運輸船溫度場及其熱應力分析［J］.船舶力學，2008，12（5）：770-777.

［3］ 吳嘉蒙，賀俊松，張勇，等.薄膜型液化天然氣船溫度場分析的若干問題研究［J］. 中國造船，2012，53（3）：75-84.

［4］ 吳嘉蒙，呂立偉.薄膜型液化天然氣船結構規范計算的比較和研究［J］.船舶，2012（4）：38-44.

［5］ 張靖周， 常海萍.傳熱學［M］.北京：科學出版社，2009.

［6］ 呂立偉.液化天然氣船溫度場分析研究［D］.上海：上海交通大學，2013.

Simpli fi ed calculation method for temperature fi eld analysis of transverse cofferdam of membrane tank LNG carriers

Lü Li-wei WU Jia-meng YU Yong-hua
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. JiangSu New Yangzi Shipbuilding Co., Ltd., Jingjiang 214532, China)

For the temperature fi eld analysis of membrane tank LNG carriers, calculation accuracy of longitudinal structure and space can be ensured. However, the researches of the transverse cofferdam have not been seriously considered, the results differ a lot from the equipment manufacture (e.g. GTT) of the membrane cofferdam system. This paper performs the temperature fi eld analysis of the transverse cofferdam of the membrane tank LNG caries, puts forward a simplified calculation method, and deduces a set of simplified functions of natural convection coef fi cient. By comparison with the results provided by GTT, the proposed method is testi fi ed to be feasible to ensure the suf fi cient calculation accuracy.

membrane tank LNG Carrier; transverse cofferdam; temperature fi eld; natural convection coef fi cient

U661.4

A

1001-9855（2014）03-0020-06

2013-08-22 ；

2013-09-28

呂立偉（1982-），男，工程師，主要從事船舶設計與研究工作。

吳嘉蒙（1976-），男，碩士，高級工程師，主要從事船舶設計與研究工作。

余勇華（1976-），男，工程師，主要從事技術管理工作。