冰級船海水管路冰塞的影響因素分析與改進

徐 立，湯 冰，張來來，江煥寶

(武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

技術交流

冰級船海水管路冰塞的影響因素分析與改進

徐 立，湯 冰，張來來，江煥寶

(武漢理工大學能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

針對極地和渤海灣地區冰期大量細小海冰隨水流進入海水管道引起的冰塞問題，以極地運輸船海水冷卻系統為研究對象，文章利用Fluent軟件分別對水平直管和法向彎管進行冰水兩相流數值模擬，分析在不同入口流速與內循環系統溫度的條件下，水平直管和法向彎管對海水-冰晶兩相流換熱影響的關鍵因素，以及海水管道內海水-冰晶換熱分布情況。利用仿真分析結果，針對海水系統提出了防冰塞改進措施。

海水系統；海水-冰晶兩相流；數值模擬；防冰塞改進

在極地和渤海灣地區冬季低溫環境下，船舶航行時船舶輔機設備為了減少高溫影響，內循環冷卻系統會利用外部海水參與冷卻循環，達到海水管道換熱的理想狀態。而大量細小的海冰會順水流進入海水管道系統，形成海水-冰晶兩相流，影響海水管道系統運行特性。大量堆積冰體會造成輔機的冷卻管路堵塞，嚴重時造成冷卻器癱瘓，冷卻水溫過高，最后輔機不能正常工作，造成船舶動力系統癱瘓而失控。文章研究的極地運輸船海水冷卻管路是經過一般防冰設計改進后的管路系統(如圖1所示)，其擁有獨立于海水艙之外的壓載水艙來應急存儲海水，并在壓載水艙外側加裝特定的管道、附件和閥門，使冷卻海水在壓載水艙和上述管道間循環。這種改進不僅能夠“攪拌”壓載水艙里的海水，降低海水結冰的可能，還能在通海閥箱冰堵的情況下，冷卻壓載水艙。該管路系統還在內循環系統內加裝了蒸汽或熱水加熱管。

1-水線；2-蒸汽或熱水加熱管；3-海水艙；4-出入艙口；5-隔離閥；6-過濾器。圖1 帶海水冷卻循環的海水系統

1 海水-冰晶模型

文章研究環境近似于渤海灣冬季和北極夏季，參考極地地區冰晶的生長機制[1]，將海水視為不可壓縮均質流體，取冰晶直徑為0.003 m。根據“永盛”輪航行記錄與我國第4次北極科學考察報告的資料，查得海水、冰晶的熱物理性質如表1所示。取海水管道中最具典型的水平直管和法向彎管作為仿真模型，模型參數如表2所示。

表1 海水和冰晶熱物理性質表

表2 海水管道模型參數

2 海水管道的仿真模擬

利用CFD軟件中的Icem和Fluent分別對海水管道進行建模與仿真。為了更好地研究海水-冰晶兩相流在水平直管與法向彎管內的換熱情況，選擇合適的內循環系統溫度邊界和海水入口流速參數，通過控制變量來對比它們對管道內兩相流流體的換熱影響程度。其中Determinant 2×2×2的網格質量均布0.55～1.0，Angle網格質量均布45°～90°,冰晶的重力方向為-Z，大小g=-9.8 m/s2。

參考運輸船相關資料[2]，內循環系統溫度一般維持在303.15～ 358.15 K(即30～85 ℃)，文章基于極地運輸船海水管道系統，在極地環境下內循環溫度要低于這個參考值。設定內循環系統溫度邊界T=320 K，入口海水速度V=1.000 m/s，入口冰晶速度Va=0.100 m/s，進行Fluent仿真，得到水平直管和法向彎管的速度云圖和換熱云圖，其特征表現為以下幾點。

1) 在內循環系統溫度邊界T=320 K，入口海水速度V=1.000 m/s，入口冰晶速度Va=0.100 m/s條件下，水平直管的換熱不如法向彎管充分，水平直管入口段和法向彎管的轉角處一段區域冰晶速度為0 m/s，此處易發生冰堵現象。

2) 通過2個管道的入口區域和法向彎管的轉角處的速度云圖與換熱云圖可以清楚地發現：在速度較快區域，換熱程度較低。

3) 海水-冰晶兩相流體的顆粒分布均勻程度影響換熱。海水管道入口段換熱較均勻，因為海冰重力的影響，2個管道末段出現明顯的換熱不均。

3 數據分析

通過控制變量，測出水平直管和法向彎管在不同內循環溫度和入口流速條件下的管壁平均換熱系數，對比分析其換熱分布和流通狀態。

3.1 內循環溫度對兩相流換熱的影響

控制入口海水速度V=1.000 m/s，入口冰晶速度Va=0.100 m/s，分別計算出水平直管和法向彎管在內循環系統溫度邊界T=300 K、T=320 K、T=340 K、T=360 K時，管壁的平均換熱系數。其數據如表3、表4所示。

表3 給定內循環溫度下水平直管的管壁平均換熱系數

表4 給定內循環溫度下法向彎管的管壁平均換熱系數

不同內循環溫度下的管壁平均換熱系數對比折線圖見圖2。

圖2 不同內循環溫度下的管壁平均換熱系數

通過對比折線圖可以發現：法向彎管的管壁換熱系數受內循環系統溫度的影響要高于水平彎管，尤其在內循環系統溫度超過340 K時，其管壁平均換熱系數開始明顯高于水平直管，內循環系統溫度為在360 K時，達到水平直管平均換熱系數的5倍，因此在法向彎管處不僅要考慮換熱對冰塞形成的影響，還要考慮該處管路配件腐蝕與維護問題。

3.2 入口流速對換熱的影響

控制內循環系統溫度邊界T=320 K，分別測出水平直管和法向彎管在不同入口海水速度及入口水晶速度下的管壁平均換熱系數，見表5、表6。

表5 水平直管給定入口流速下的管壁平均換熱系數

表6 法向彎管給定入口流速下的管壁平均換熱系數

不同入口流速下的管壁平均換熱系數對比折線圖，見圖3。

圖3 不同入口流速下的管壁平均換熱系數

通過對比折線圖可以發現：水平直管和法向彎管的管壁換熱系數隨入口流速的增大而降低，并且水平直管受流速的影響要小于法向彎管。但在海水流速超過1.500 m/s后，其管壁平均換熱系數趨于平穩，無明顯變化。因此，利用增大入口流速來增加換熱系數的效果有限，并且入口流速的增大會引起冰晶顆粒的流量和質量的增大，水平直管與法向彎管的磨損也會相應增大。

3.3 兩相流冰晶顆粒分布對換熱的影響

海水流速的增大會引起海水-冰晶兩相流流動狀態發生改變，觀察在內循環系統溫度邊界T=320 K，入口海水速度V=1.500 m/s，入口冰晶速度Va=0.127 m/s條件下法向彎管的速度和換熱情況。不同海水流速情況下，海水-冰晶兩相流的換熱情況與顆粒分布情況保持一致。在法向彎管入口段和出口段，流動較平穩均勻，換熱充分；在轉角處海水-冰晶兩相流體強制對流明顯加強，換熱減弱。因此該區域不僅換熱程度低易發生冰塞現象，而且強制對流明顯，對管路設備損耗大。

4 改進措施

針對極地船海水管道冰塞問題，參考挪威船級社(DNV)和美國船級社(ABS)頒布的部分冰區加強型船舶設計規范，可以對極地船海水管道做出如下改進。

1)所有PC1～PC5冰級船，吸入管道的設計流速都不能超過2.000 m/s，船舶航行工況若需要大量海水參與冷卻，只能通過增加吸入海水的管道數目或增大管徑的方式。

2)海水吸入管道應布置在船尾附近靠近中線的位置，海底門的布置盡量放低，以減少浮冰的吸入。另外應設置高位海底門，防止進入渤海灣地區淺水航道時，大量泥沙進入海水管路。

3)采用最新的SEA BAY海水冷卻系統的海水箱，這種海水箱下部稱作海水箱進水口，直接聯通主甲板；其海水沉淀箱與海水總管連接；所有的設備都由海水冷卻泵直接從海底沉淀箱取水冷卻。海水箱上部稱作SEA BAY，其與海水箱進水口直通往主甲板，并設置了人孔蓋。因為浮冰的密度小于海水，浮冰進入海底門后直接進入SEA BAY區域。采用SEA BAY海水冷卻系統，能夠極大地減少進入海水總管的浮冰，對于進入海水沉淀箱的少量冰晶，大多數在機艙區域就能融化而不影響各種冷卻設備。SEA BAY海水冷卻系統結構如圖4所示。

圖4 SEA BAY海水冷卻系統

4)在法向彎管的轉角處設置堰板或隔離板可以減少海水進口管被冰堵塞的可能。另外將蒸汽加

熱盤管或伴熱帶安裝在隔離閥、海水艙以及其他法向彎管轉角處附近，以便在極端低溫情況下達到除冰的目的。

5)在冰級船海水系統中所使用的附件、管路和閥的標準件，尤其是法向彎管轉角處的標準件，應避免使用鑄鐵材料。根據上述分析以及冰區航行經驗，由于鑄鐵材料的脆性，海水管道中在螺旋槳與冰的相互作用下所產生的振動以及海水-冰晶強制對流的沖擊影響下，極易造成損壞。

[1] Yoshikazu Teraoka, Akio Saito,Seiji Okawa. Ice Crystal Growth in Super Cooled Solution[J]. International Journal of Refrigeration,2002,25(2)：218-225.

[2]張立文.船舶柴油機冷卻水溫度控制系統的研究與設計[D].大連：大連海事大學,2010.

For problems of ice berg aroused by a large amount of small ice-sea flowing into seawater pipes at polar and low temperature of the BOHAI Bay area, object of the study is based on sea water pipe system with seawater circulating cooling in polar cargo ship, models of straight pipe and normal bend are numerical simulation analyzed by software Fluent, the analysis includes key factors affecting the ice-sea two-phase flow under different conditions of circulating water temperature and water flow rate, and the heat distribution of ice-sea two-phase flow in the seawater pipes. By numerical simulation results, it can be proposed anti-ice berg improvement in seawater system.

seawater system; ice-sea two-phase flow; numerical simulation; anti-ice berg improvement

國家自然科學基金(51479152)

徐立(1975-)，男，湖北武漢人，副教授，博士，研究方向為船舶清潔能源技術應用、船舶動力裝置性能分析。

U664.81+4

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.003

2016-03-09