冰区船舶海水换热管道中海水冰浆热流动特性研究

作     者：黄长绪 

作者单位：武汉理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐立

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 082402[工学-轮机工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：冰区船舶 海水系统 冰晶 流动传热特性 实验与数值计算 

摘      要：根据“永盛轮北极调研资料,跟在破冰船后面航行船舶的海水系统极易吸入海水与冰晶形成的海水冰浆流体。相对于只有海水的情况,冰晶颗粒的存在会对海水系统换热管道中流体的流动与传热造成一定程度的影响,进而影响到船舶动力系统运行的平稳性。因此,探索海水-冰晶两相流在换热管中的流动传热特性对极地船舶安全航行及其相关系统设计具有重要指导意义与实用价值。鉴于上述目标,搭建了海水冰浆流动与传热综合实验平台,便于直观认识海水-冰晶两相流浆体流动物理情景,并为构建的数值模型可靠性提供实验数据支撑。基于颗粒流体动力学,考虑海水-冰晶两相流的固液特征,建立了适用于海水-冰晶两相流的欧拉-欧拉双流体模型,通过编译UDF程序,在FLUENT中将相间传热传质模型嵌入欧拉-欧拉双流体模型,以探讨海水-冰晶两相流在管道内非等温流动过程中流动和传热特性。研究结果表明,流动过程中冰晶颗粒的摩擦损失主要包含粘性摩擦和机械摩擦,因此海水-冰晶两相流体的流动压降随入口含冰率(IPF)与速度的增加而升高。流动摩擦系数随Re的增加而逐渐减小,随入口IPF的增加而增大。并且数值计算值与实验值、理论公式计算值均取得较好一致性。冰晶的相变特性对流动压降产生明显的影响,在速度较低时冰晶的相变特性对压降的影响更显著。随入口速度与IPF的增加其浓度场与速度场呈现对称分布趋势。较大直径的冰晶颗粒会导致冰晶速度场与浓度场产生非均匀分布趋势。此外,实验与数值结果表明,海水-冰晶两相流体在管内的非等温流动分三种流型:拟均质流、非均质流与移动床。由实验获得避免出现移动床的安全临界速度为0.9 m·s。在热流动发展的入口段由于热边界层薄,局部平均传热系数较高之后沿流动方向迅速降低,在完全发展区域接近为恒定。在入口IPF=00%、U=1.0.0 m·s范围内,局部平均传热系数随入口流速和IPF增加先增加最终趋于稳定。增加入口IPF,并不总是可以增强传热。相对于单相流,海水-冰晶的局部平均传热系数提高约1.54倍。冰晶的传质率与流体温度在管道中的分布特征受冰晶在管内分布的影响。由于管道顶部冰晶体积分数较高,使得该区域冰晶相变对传热增强的贡献提高,导致管道顶部的温度显著低于底部。