大洋勘探船巖芯儲存庫內溫度場的數值模擬

郭月姣，吳毅昊，馬雙，陳旭，孟博，雷淑雅，石大川，馮國增*

1 江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212003

2 上海外高橋造船有限公司，上海 200137

3 中國船舶及海洋工程設計研究院，上海 200011

4 重慶大學 土木工程學院，重慶 400045

0 引 言

巖芯是研究地下地質和礦產情況的重要材料。巖芯開采出來后，經清洗、干燥、密封等過程，放置在大洋勘探船的巖芯儲存庫中。巖芯熱容較大，在入庫或出庫時溫度變化小，具有種類多、巖性變化大、靈敏度高等特點，因此儲存條件非常嚴格[1]。當巖芯種類和研究目的不同時，對庫溫的要求也不同，通常松軟的沉積物巖芯樣品、冰心樣品等需進行冷凍保存，而固體礦產巖芯一般進行冷藏儲存。例如，“東方紅3”號勘探船巖芯儲存庫分為樣品冷凍庫和樣品冷藏庫，庫溫分別為-20～-18 ℃和-4～10 ℃；“科學”號考察船的巖芯儲存庫庫溫分別為4 ℃和-20 ℃；“雪龍2”號科考船巖芯儲存庫分為低溫樣品冷藏室和樣品冷凍室，庫溫分別為2～10 ℃和-20～-18 ℃。在巖芯儲存庫設計時，若庫內冷風機放置位置不當，存在溫度死區，造成溫度分布不均勻或溫度過高過低，都不利于巖芯儲存，故需研究巖芯庫冷風機合理的布置位置以長時間、高質量保存巖芯。

巖芯熱容較大，對庫溫影響大，巖芯儲存庫的設計必須滿足巖芯存儲目標溫度的均勻性，但是大洋勘探船巖芯儲存庫的運輸機制十分復雜，很難以經驗法來確定最優的冷庫設計方案。隨著計算機運算能力的提高和計算流體動力學（CFD）的發展，數值模擬作為方案擇優的一種輔助手段，被廣泛應用于船舶設計領域，例如艙室通風[2]、熱量變化過程分析[3]、船型優化[4-5]及設計[6]等方面。同樣，在空調系統設計中，數值模擬方法也得到了普遍應用。權崇仁等[7]和敖慶章等[8]通過模擬計算艦船典型艙室的溫度場分布，驗證了空調系統布置的合理性；亓海青等[9]采用數值模擬方法對艙室內部空氣環境的舒適性進行了分析；倪崇本等[10]運用CFD技術對液化天然氣船（LNG船）機艙內通風氣流進行了數值模擬，消除了通風死角產生的安全隱患；Wang等[11]運用CFD技術模擬了制冷柜中的空氣三維溫度變化，有效改善了制冷系統性能；S?ylemez等[12]和Rusly等[13]通過CFD模擬提供的更完整流場信息，確定了制冷系統中設備構件的最佳設置位置。

但是，上述研究均未涉及大洋勘探船巖芯儲存庫中的數值模擬應用。本文擬針對大洋勘探船陸上模擬巖芯儲存庫，采用CFD技術研究庫內溫度分布，從而改變冷風機設置位置；通過分析3種不同冷風機設置位置的壁面溫度分布，以確定有利于巖芯儲存的冷風機布置方案。

1 巖芯儲存庫結構及冷風機布置方式

大洋勘探船陸上模擬巖芯儲存庫高、低溫冷庫外觀如圖1所示，長5 m，寬13.6 m，高2.5 m，總容量為170 m3，其中低溫庫庫容量70 m3，長5 m，寬5.6 m，高2.5 m；高溫庫庫容量100 m3，長5 m，寬8 m，高2.5 m。冷庫隔熱材料為聚乙烯泡沫等。高溫庫工況：負荷6.345 kW，送風量2.71 m3/s。低溫庫工況：負荷6.915 kW，送風量2.67 m3/s。高、低溫庫冷風機分別采用橫向、縱向和斜角3種布置方式，如圖2所示。

圖 1 巖芯儲存庫外觀Fig. 1 Exterior view of refrigeratory for core storage

圖 2 冷風機布置方式Fig. 2 Layout of air coolers

2 冷庫數值模型

冷庫流體流動需符合連續性方程、動量方程和能量方程。由于庫內流體流動狀態基本為湍流，故選用標準k-ε模型解決湍流模型的不封閉問題，且考慮重力影響。連續性方程、動量方程（以x方向為例）、能量方程、k方程和ε方程分別為：

3 模擬計算與實驗條件

模型邊界條件為：1)冷風機出風口流速設為冷庫進風口速度；2)冷風機回風口采用壓力出口；3)冷庫壁面邊界條件選用第2類邊界條件，冷庫庫板保溫絕熱，熱流密度為0，將壁面的傳熱量折算成內熱源，高溫庫內熱源為63.45 W/m3，低溫庫內熱源為98.78 W/m3。室內設計參數及送風參數如表1所示。在模擬計算時假設高、低溫冷庫完全獨立，2個庫作為單獨的庫區來進行計算。以縱向吊頂布置為例，整個計算區域網格數約1.79×106，網格整體劃分情況如圖3(a)所示；對進風口網格進行加密處理，結果如圖3(b)所示。

為了獲得冷庫內的合理流場，在建立描述冷藏庫內流動換熱的數學模型時，假設如下：1）冷庫內空氣為不可壓縮理想氣體，高、低溫冷庫之間無空氣泄漏；2）鑒于流體為低速、不可壓縮流動，故忽略由流體粘性力做功引起的耗散熱；3）不考慮輻射換熱；4）冷庫外溫度保持穩定。

表 1 模型參數Table 1 Model parameters

圖 3 縱向布置網格劃分Fig. 3 Mesh division of longitudinal layout

實驗中，在冷庫內布置溫度傳感器，溫度數據由自主開發的數據采集系統顯示并記錄。選取高度方向2.2 m處進行溫度測量，距離冷庫壁面50 mm處等距安置溫度傳感器（其中高溫庫測溫點有40個，低溫庫測溫點有25個），測溫點布置情況如圖4所示。

4 模擬結果分析與實驗驗證

利用該模型研究巖芯儲存庫內部冷風機的最佳擺放位置，在空庫和有吊頂情況下，冷風機分別采用縱向、橫向和斜角3種布置方式，對大洋勘探船陸上模擬巖芯儲存庫進行分析，以確定冷風機的最佳放置位置。

當冷風機采用縱向吊頂布置方式時，模擬結果如圖5所示，沿著縱向遠離冷風機的區域溫度越來越高，高溫庫內冷風機對側壁面溫度最高為9 ℃，低溫庫內冷風機對側壁面溫度最高為-14 ℃。當冷風機采用橫向吊頂布置方式時，模擬結果如圖6所示，低溫庫內冷風機出口斜下方溫度較高，為-16 ℃，大部分區域溫度分布較均勻，為-20～-18 ℃，偏離程度較低；高溫庫內溫度在3～6 ℃內波動，少數區域的溫度達到7 ℃。當巖芯儲存庫冷風機采用斜角（軸向45°）吊頂布置方式時，部分截面模擬的溫度分布云圖如圖7所示，由于冷風機為軸向45°放置，庫內另外2個角落風量不足，從而導致角落附近區域的溫度較高，其中低溫庫角落的溫度約-12 ℃，高溫庫角落的溫度約9 ℃，從而不利于巖芯的儲存。

由于溫度控制精度為±1 ℃，所以高溫庫溫度波動范圍為3～5 ℃，低溫庫溫度波動范圍為-21～-19 ℃，溫度在此范圍內視為合格區域。選擇截面z=2.2 m處進行溫度對比分析，結果如圖8所示。圖中，分組1為合格區域，分組2為偏離設計溫度2 ℃范圍內，分組3為偏離設計溫度3～8 ℃范圍內，分組4為偏離設計溫度9 ℃及以上。冷風機采用橫向吊頂布置方式時，最大偏離溫度不超過8 ℃，且溫度大都集中在合格區域，面積為33 m2；斜角吊頂時合格區域面積為36 m2，但冷風機采用縱向和斜角吊頂布置方式時，溫度偏差9 ℃的區域面積較大，面積分別為9和7 m2，不利于巖芯儲存。綜上所述，最終選擇將冷風機橫向吊頂布置。

當冷風機橫向吊頂布置時，在高、低溫庫穩定時測量溫度，并與模擬結果對比（圖9）。由圖可見，各測溫點的實驗與模擬溫度之間存在1～2℃的溫差，且在大部分測溫點兩者誤差小于10%，表明數值模擬結果較準確。而在如圖9（a）所示的測溫點12～15處，實驗與模擬溫度的誤差大于10%，推測是溫度傳感器距離冷風機送風口較近，使其位置發生偏離導致測量結果不準確。

圖 4 溫度傳感器布置Fig. 4 Temperature sensor layout

圖 5 縱向吊頂布置時溫度分布云圖Fig. 5 Temperature contours of longitudinal ceiling layout

圖 6 橫向吊頂布置時溫度分布云圖Fig. 6 Temperature contours of transverse ceiling layout

圖 7 斜角吊頂布置時溫度分布云圖Fig. 7 Temperature contours of oblique ceiling layout

圖 8 z=2.2 m處溫度對比結果Fig. 8 Temperature comparison results at z=2.2 m

5 結 語

本文建立了陸上模擬巖芯儲存庫的數值模型，并進行了數值模擬與實驗分析。根據大洋勘探船陸上模擬巖芯儲存庫的實際溫度需要，對縱向吊頂、橫向吊頂和斜角吊頂3種冷風機布置方式進行了模擬。結果顯示，當冷風機橫向吊頂時，高溫庫溫度大部分維持在3～6 ℃，低溫庫溫度大部分維持在-20～-18 ℃。巖芯儲存庫大部分區域溫度分布均勻，滿足儲存溫度需求。根據模擬結果，冷風機最終采用橫向吊頂布置方式。巖芯儲存庫溫度場數值模擬與實驗結果的對比分析表明，兩者溫度誤差在10%以內，這說明數值模擬技術可用于指導巖芯儲存庫工程設計。下一步可利用數值模擬技術分析當巖芯儲存庫內擺放貨架以及改變冷風機的布置高度時對庫內溫度場的影響。