極地船海水管道海水-冰晶兩相流的換熱特性分析

徐立,江煥寶,黃振飛,張來來,湯冰

(1.高性能船舶技術教育部重點實驗室(武漢理工大學)，湖北 武漢 430063； 2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

?

極地船海水管道海水-冰晶兩相流的換熱特性分析

徐立1,2,江煥寶1,2,黃振飛1,2,張來來1,2,湯冰1,2

(1.高性能船舶技術教育部重點實驗室(武漢理工大學)，湖北 武漢 430063； 2.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063)

為了防止在極地低溫的影響下，船舶海水冷卻系統換熱管道發生冰堵，保障船舶的航行安全，以海水冷卻系統中水平換熱管道為研究對象，熱焓多孔介質模型為基礎建立數學模型，利用CFD軟件FLUENT對換熱管道的海水-冰晶兩相流體進行換熱特性數值仿真。仿真結果表明流速對管道換熱的影響顯著。在以流速為被控量的管道兩相流動過程中，為避免管道中冰晶堆積形成堵塞，需要選擇合適的流速范圍，以確保最優的換熱效果，使船舶冷卻水系統的正常換熱，從而保證動力系統的正常運行。

極地船；海水-冰晶；FLUENT；流速；換熱；冰堵

北極海冰快速消融，部分水域在夏季的一段時間內已處于可通航狀態[1]，北極航道未來將“無冰化”，我國北極東北航道得以開辟。與傳統航線相比，極地海洋環境惡劣，航運風險相應提高[2-4]。因此，對通航在北極冰區的船舶性能也提出了更高的要求。為保證船舶動力系統的正常運行，冷卻系統通過海水泵抽取海水對船舶輔機及相關裝置進行冷卻，然而受極地低溫的影響，冰渣及冰屑夾雜在海水中進入到機艙內的冷卻器管系統，冰晶粒子容易在換熱管內堆積并堵塞管路，造成動力系統癱瘓。

目前，針對船舶海水冷卻系統海水管道換熱的研究主要是對管殼式換熱器的單相流體的強化換熱研究、管道結垢及流動阻力特性分析。林宗虎提出對管式換熱器中單相流體的強化換熱主要通過加強混合和擾動及發展擴展受熱面[5]。付宜風等用數值模擬的方法研究流體摩擦阻力在結垢、腐蝕條件下管道內壁表面狀態改變后的變化情況[6]。Naoto Haruki等研究了冰漿在螺旋管內的流動阻力及影響換熱效果的主要因素[7]。總的來說，對極地運輸船海水冷卻系統換熱管換熱情況的研究是比較匱乏的。本文利用CFD軟件ANSYS / FLUENT對極地低溫條件下換熱管內的海水-冰晶兩相流體進行以流速為被控量的換熱特性分析。在避免換熱管發生冰堵[8-9]，保證換熱器的正常工作的前提下，通過仿真選擇出合理的換熱管內流體流速，使船舶動力系統正常運行，從而保障航行安全。

1 海水管道物理和數值模型的建立

1.1 海水管道物理模型

通過對第4次北極科考文獻資料及航海日志的分析，本文以某極地海洋多用途工作船為研究對象(該船的主要參數見表1)，對其海水冷卻系統中水平換熱管道進行仿真分析。本文利用ANYSYS/ICEM軟件對換熱管道進行三維建模及結構化網格劃分。驗證網格獨立解時，當模型網格數量達到89 100后網格數量的增長對仿真結果無影響，因此確定網格數量為89 100，模型進行網格劃分后網格質量大于0.65，符合仿真的網格質量要求。如圖1所示，為水平換熱管道模型及網格劃分情況圖。

表1 極地海洋多用途工作船主要參數

Table 1 Main parameters of the multipurpose working ship in polar ocean

總長/m型寬/m型深/m航速/kn總載重量/t主機功率/kW海水泵排量/(m3·h-1)69.5146.314.515002400180

圖1 水平換熱管道模型及網格劃分Fig.1 Model of level heat exchange pipe and mesh generation

網格劃分后，利用CFD[10-11]軟件FLUENT中的標準k-ε模型和多相流混合模型進行以流速為被控量的海水-冰晶兩相流體的熱流動特性分析(海水管道主要參數見表2，通過基金項目前期對極地環境下在海水管中的海水-冰晶的相場模擬和冰晶顆粒形狀的適當簡化，得出冰晶為平均直徑大小0.005 m的球狀顆粒，分析出在換熱管道不產生冰堵的工況下最佳的流速區間，實現最優換熱效果，保證船舶動力系統在極地航行中以正常工況運行，規避航運風險。

1.2 數值模型

換熱管道中的海水-冰晶兩相流體在流動的過程中伴隨著同管壁之間的熱傳遞，繼而引起兩相流體相變的發生，故而其數學物理模型較為復雜。熱焓多孔介質模型不直接追蹤相變過程中相界面的移動，由建立糊狀區域自動耦合界面，可避免數值求解中由界面追蹤引起的震蕩，該模型已成功地運用到眾多相變材料的研究中[12-14]。通過對已有模型的比對分析[15-17]，結合對海水-冰晶兩相流體熱流動特性，本文采用熱焓多孔介質模型進行數值分析。

表2 水平海水管道參數表

1.2.1 連續性方程

(1)

式中:ρ為密度，kg/m3，下標i取值為w和ice，分別表征海水和冰晶粒子；α為相的比例系數，%；u為流速，m/s。

1.2.2 動量方程

(2)

式中：β海水-冰晶兩相流體中糊狀區域的載流體體積分數；A為糊狀區域常數；up冰晶粒子相的拉伸速度，m/s；為防止分母值為零，ε可取值為0.001；τi為剪切應力張量。

(3)

(4)

(5)

式中：T為海水-冰晶兩相流體的溫度，K；Ta為兩相流體相變開始時的溫度，K；Tb為兩相流體相變結束時的溫度，K；λ為體積粘度；μ為剪切粘度，Pa·s。

1.2.3 能量方程

(6)

(7)

Nu=hl/λ

(8)

式中:h為海水-冰晶兩相流體的焓值，J/kg；Tref為

海水-冰晶兩相流體焓值計算的參考溫度，K；href是參考溫度的焓值，J/kg；Cp為比熱，J/(kg·K)；ω是冰晶粒子的相變潛熱，J/kg。Nu是表征換熱強弱的無量綱數，海水-冰晶流體的熱物性參數如表3所示。

表3 海水-冰晶流體的熱物性參數

2 數值仿真結果分析

本文以極地海洋多用途工作船為研究對象，船舶在極地低溫情況的影響下航行，船舶冷卻系統通過海水作為介質來進行換熱的同時，會夾雜有一定量的細小海冰進入海水管道。此時，當淡水系統溫度在一定的情況下，海水管道中的海水-冰晶兩相流以特定流速在換熱器中進行熱量交換的時候，為避免流速過低造成冰晶堆積，大量的積冰導致冷卻管路堵塞，進而影響輔機的正常工作，甚至造成船舶動力系統的癱瘓失控。通過查閱相關文獻，船舶冷卻系統中的管式換熱器內的管程流體流速范圍一般是0.5～3 m/s，但在極地低溫影響下，換熱管道內的海水流速較普通船舶相比需要更高一些。因此，為規避在極地航行過程中的此類風險，分析在一定淡水系統溫度的情況下的換熱器管程流速具有重要意義。

為分析極地船舶海水冷卻水系統中海水管道的換熱情況，本文利用專業CFD軟件FLUENT對海水管道在不同的海水-冰晶兩相流體流速的換熱情況進行仿真(淡水系統溫度為T=300 K，海水流速分別為1.5、1.7、1.8、2、2.3、2.5 m/s)，通過冰晶粒子流速v=0 m/s時會在管道中堆積繼而來判斷是否產生冰堵，仿真結果如圖2所示。

圖2 不同海水-冰晶兩相流體流速下的冰晶速度云圖(各個云圖中的速度梯度不同)Fig.2 Ice velocity cloud under different seawater-ice two-phase fluid flow velocity(velocity gradient is different in each cloud)

通過對圖2中的海水管道內不同流速情況下的冰晶速度云圖的分析可知，當船舶淡水系統溫度在T=300 K、v=1.5 m/s時，由于受到重力因素、流體粘度及管道中海水冰晶流動時收到的流動阻力的綜合影響，管道內冰晶速度為零的區域主要出現在管道后半段的底部區域。此時冰晶粒子堆積的情況較為嚴重，冰晶粒子長時間的堆積會使海水管道堵塞，造成海水管道與淡水系統之間的換熱不均勻和換熱量的減小，使冷卻水溫過高造成輔機不能正常工作，最終導致船舶動力系統癱瘓而失控。隨著流速v的變大，換熱管道內的冰晶速度為零的區域逐漸消失。根據圖2b可知，當v=1.7 m/s時，冰晶速度為零的區域消失，v>1.7 m/s時冰晶不會在海水管道內堆積造成管路堵塞，管道海水-冰晶兩相流體同淡水系統之間換熱情況得到加強，保證了船舶輔機和船舶動力系統的正常工作，符合普通船舶海水冷卻水系統的換熱情況。

船舶海水冷卻系統在一定淡水系統溫度的情況下，隨著海水-冰晶兩相流體流速的增大，在一定的范圍內換熱情況得到了加強，但當流速超過某個臨界值的時候，會導致換熱強度的降低。通過借鑒文獻[12]的研究方法，在圖3中給出了在變流速條件下熱流動過程中海水-冰晶兩相流體中的冰晶粒子相變后的體積分數沿管道流動方向的變化情況。在極地低溫下，當v=1.5 m/s時，由于受到流體與管道壁面間的換熱不充分及流動阻力的影響，冰晶粒子在流動的過程中速度逐漸降低，在管道的后半段產生堆積，在相變過程中冰晶進一步生長變大進而導致含冰率的增加。當流速增大到v>1.7 m/s時，在熱流動過程中隨著流體流速的增加擾動隨之增強，平均換熱系數得到提高，冰晶粒子由于逐漸融化產生的相變潛熱使換熱效果得到顯著提升，含冰率相應下降。但隨著海水-冰晶兩相流體在管道內熱流動的推進，由于受到流動阻力的影響，造成湍動能損失，在管道后半段冰晶流速降低，使得含冰率在該處有了一定的提升。當v>2.3 m/s時，隨著流體流速的增大，雖然促進了海水-冰晶兩相流體同管道壁面之間的對流換熱過程，但由于流體與管道壁面之間的熱交換時間變短，因此冰晶粒子流過水平管道時相變率也相應減小，因此換熱效果并未得到顯著提升。

海水管道內海水-冰晶兩相流體在不同流速梯度下的管壁平均換熱曲線圖如圖4所示，從圖中可知當1.5≤v≤2.3 m/s時，隨著流速的增大，換熱管道管壁的平均斯坦頓系數St減小，平均努謝爾系數Nu隨著增大，因而平均換熱系數也隨著增大，換熱效果得到了改善，海水冷卻水系統正常工作。當流速v>2.3 m/s時，管壁的平均斯坦頓系數St隨流速略微上升，平均努謝爾系數Nu略微下降，平均換熱系數變化趨于平穩甚至減小，換熱效果沒有明顯改善。在一定的流速范圍內，通過提高流速，換熱效果也會隨著提升，冰晶粒子不會在換熱管道內堆積堵塞管道，造成冰堵使船舶冷卻水系統不能正常工作，進而造成動力系統故障影響極地船舶的航行安全。但海水-冰晶兩相流體的流速超過某個臨界值時，隨著流速的增加，流體的壓力降變大，海水-冰晶同管道壁面之間的流動阻力也相應的變大，加劇海水-冰晶同管壁之間的摩擦碰撞，乃至使冰晶流動速度降低。高流速流動的同時也會造成海水冷卻水泵的功率和負荷過高，換熱的效果并沒得到明顯的提升，影響換熱的效果和質量，影響船舶冷卻水系統的運行。因此，當淡水系統溫度T=300 K時，為避免管道冰晶堆積造成管道堵塞，影響換熱效果，1.7≤v≤2.3 m/s是流速的最佳取值范圍。

圖3 變流速條件下沿管道熱流動方向的冰晶體積分數變化Fig.3 Change of ice crystal volume fraction along the direction of heat flow in the pipeline under variable flow velocity

圖4 管道壁面平均換熱曲線圖Fig.4 Average heat transfer curve of the pipe wall

3 結論

1)受北極低溫環境的影響，通航在極地的海洋多用途工作船的海水冷卻系統換熱管道內容易結冰堵塞，為確保冷卻系統的正常運行，保障通航安全，海水-冰晶兩相流體的流速需比常規環境下的冷卻介質的流速大。

2)隨著管道中海水-冰晶兩相流體速度的增加，兩相流體與管道壁面間的對流換熱系數整體上呈現了遞增的變化趨勢，在一定的速度范圍內，冰堵現象消失，換熱情況良好，船舶冷卻系統正常運行，能夠保障在極地通航船舶的安全航行。熱焓多孔介質模型可對熱流動過程中冰晶粒子的相變發生量進行量化，為分析相變過程中冰晶粒子的體積分數變化對熱流動特性產生的影響能提供重要的數據支撐。

3)當流速增大到v>2.3 m/s時，管道雖沒發生冰堵現象，但管壁的換熱系數提高的同時，海水-冰晶兩相流體在管道內的流動阻力也相應變大，湍流能量損失，換熱效率反而降低。此外，管道內流體的高流速流動容易造成對管箱的沖擊及海水冷卻水泵的功率和負荷過高，影響船舶冷卻水系統的運行。因此，綜合各個因素考慮，在T=300 K淡水系統溫度條件下的極地船舶海水冷卻系統換熱器管道內海水的最佳流速范圍為1.7～2.3 m/s。

4)北極地區海洋環境惡劣多變，如何在該環境下對船舶相關設備進行性能分析及優化具有重要意義，本文對基于流速下的海水管道海水-冰晶兩相流體的換熱特性分析具有實際應用前景，可為極地船海水系統的傳熱影響機理研究奠定理論基礎。

[1]Global Insight. Trends in the world economy and trade[C]//Publications of Global Insight.Waltham. 2008.

[2]WOODGATE R A,WEINGERTNER T, LINDSAY R. The 2007 Bering Strait oceanic heat flux and anomalous arctic sea-ice retreat[J]. Geophysical Research Letters, 2010, 37(L01602), doi:10.1029/2009GL041621．

[3]孟上, 李明, 田忠翔, 等. 北極東北航道海冰變化特征分析研究[J]. 海洋預報, 2013, 30(2): 8-13.

MENG Shang, LI Ming, TIAN Zhongxiang, et al. Study on the characteristics of the change of sea ice in the northeast of the Arctic sea[J]. Ocean forecast, 2013, 30(2): 8-13.

[4]謝正祥, 江煥寶, 徐立. 北極地區航運風險管理策略[J]. 中國船檢, 2015 (7): 16-19.

XIE Zhengxiang, JIANG Huanbao, XU Li. Arctic shipping risk management strategy[J]. Chinese ship inspection, 2015 (7): 16-19.

[5]林宗虎. 管式換熱器中的單相流體強化傳熱技術[J]. 自然雜志, 2013, 35(5): 313-319.

LIN Zonghu. Single-phase fluid heat transfer enhancement technology in the tube heat exchanger[J]. Nature magazine, 2013, 35(5): 313-319.

[6]付宜風, 雷成旺, 張璇, 等. 基于 FLUENT 的管道內壁表面狀態對流體摩擦阻力的影響研究[J]. 潤滑與密封, 2014, 39(5): 23-27.

FU Yifeng, LEI Chengwang, ZHANG Xuan, et al. Effect of pipeline inner surface features on fluid frictional resistance using FLUENT analysis[J]. Lubrication and seal, 2014, 39(5): 23-27.

[7]HARUKI N, HORIBE A. Flow and heat transfer characteristics of ice slurries in a helically-coiled pipe[J]. International journal of refrigeration, 2013, 36(4): 1285-1293.

[8]吳錫合, 張德慶, 張爭偉. 天然氣長輸管道冰堵的防治與應急處理[J]. 油氣儲運, 2012, 31(4): 292-293.

WU Xihe, ZHANG Deqing, ZHANG zhengwei. Prevention and emergency treatment of ice block in long distance natural gas pipeline.[J]. Gas storage and transportation, 2012, 31(4): 292-293.

[9]郭春雨, 李夏炎, 謝暢, 等. 冰區航行船舶阻力預報方法[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2015, 36(7): 899-905.

GUO Chunyu, LI Xiayan, XIE Chang, et al. Prediction method for icebreaker resistance[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2015, 36(7): 899-905.

[10]AI Y, FENG D, YE H, et al. Unsteady numerical simulation of flow around 2-D circular cylinder for high Reynolds numbers[J]. Journal of marine science and application, 2013, 12(2): 180-184.

[11]DEL PUPPO N. High resolution ship hydrodynamics simulations in open source environment[J]. Journal of marine science and application, 2014, 13(4): 377-387.

[12]王繼紅. 冰漿的管道輸送熱流動特性[D]. 大連：大連理工大學, 2013: 93-100.WANG Jihong. Thermal-flow characteristics of ice slurry in pipelines[D].Dalian: Dalian University of Technology, 2013: 93-100.

[13]楊麗媛. 冰漿在管網中的流動及傳熱分析 [D]. 華中科技大學, 2012: 39-42.

YANG Liyuan. The flow and heat transfer analysis of ice slurry in the pipe network [D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2012: 39-42.

[14]ANTORANZ A, GONZALO A, FLORES O, et al. Numerical simulation of heat transfer in a pipe with non-homogeneous thermal boundary conditions[J]. International journal of heat and fluid flow, 2015, 55: 45-51.

[15]GUO Chunyu, ZHANG Qi, SHEN Yu. A non-geometrically similar model for predicting the wake field of full-scale ships[J]. Journal of marine science and application, 2015, 14(3): 225-233.

[16]GUO Chunyu, HU Wenting, HUANG Sheng. Using RANS to simulate the interaction and overall performance of propellers and rudders with thrust fins[J]. Journal of marine science and application, 2010, 9(3): 323-327.

[17]GUO Chunyu, DOU Pengfei, JING Tao, et al.Simulation of hydrodynamic performance of drag and double reverse propeller podded propulsors[J]. Journal of marine science and application, 2016, 15(1): 16-27.

本文引用格式：

徐立,江煥寶,黃振飛,等.極地船海水管道海水-冰晶兩相流的換熱特性分析[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(6)： 887-891.

XU Li, JIANG Huanbao, HUANG Zhenfei, et al. Heat transfer characteristics analysis of seawater and ice two-phase flow in the polar vessel seawater pipeline[J]. Journal of Harbin Engineering University， 2017， 38(6)： 887-891.

Heat transfer characteristics analysis of seawater and ice two-phase flow in the polar vessel seawater pipeline

XU Li1,2, JIANG Huanbao1,2, HUANG Zhenfei1,2, ZHANG Lailai1,2, TANG Bing1,2

(1.Ministry of Education, Key Laboratory of High Performance Ship Technology (Wuhan University of Technology)，Wuhan 430063, China; 2.School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

In order to prevent ice from jamming the heat-transfer pipe in the seawater cooling system of a vessel under the influence of polar temperatures and to safeguard the navigational safety of the ship, a mathematical model is constructed of the level heat-exchange pipeline in the seawater cooling system in the form of a porous-medium enthalpy model. The computational fluid dynamics software Fluent is used to simulate the heat-transfer characteristics of two-phase seawater/ice flow in the heat-transfer pipeline. The simulation results show that the flow rate has a significant effect on the heat transfer. To avoid ice accumulating and blocking the pipeline during such two-phase flow, it is necessary to select an appropriate range of flow rate to ensure optimal heat transfer. This facilitates normal heat transfer in the ship′s cooling water system, thereby assuring normal operation of the power system.

polar vessel; seawater and ice; FLUENT; flow velocity;heat transfer;ice blocking

2016-02-28. 網絡出版日期：2017-03-30.

國家自然科學基金項目(51479152).

徐立(1975-)，男，副教授.

徐立，E-mail:xuli@whut.edu.cn.

10.11990/jheu.201602038

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170330.1457.018.html

U664.81

A

1006-7043(2017)06-0887-05