低气温条件下极地船舶舷侧压载舱温度场数值模拟研究.pdf

网络首发地址：https:/ J.中国舰船研究,2023,18(5):6572.DING S F,HU Y F,ZHOU L,et al.Numerical simulation of temperature field in side ballast tank of polar ship at lowtemperatureJ.Chinese Journal of Ship Research,2023,18(5):6572.低气温条件下极地船舶舷侧压载舱温度场数值模拟研究扫码阅读全文丁仕风1，胡扬帆1，周利*1，曹晶2，刘仁伟1，刘志兵31 江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 2120032 中国船级社 上海规范研究所，上海 2001353 中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011摘 要:目的目的旨在分析极地低气温环境温度及压载水容量对极地船舶压载舱温度场分布的影响。方法方法采用流体体积法（VOF）模型模拟气液两相，标准 k-湍流模型模拟流体运动，建立极地船舶压载舱热传递的数值分析模型，分析低气温条件下压载舱温度场的动态变化过程，揭示多环境温度和多装载高度对压载舱温度场的影响机制。结果结果随着热传递的持续发生，舷侧压载舱水线以上区域的温度快速下降，降温区分别沿横向向舱内延伸和沿舱壁向下延伸；当压载水较多时，由于水的热容大，舱室温度场相对稳定，但空气热容低、温度场变化大，易出现气旋并进一步影响计算域的温度场分布；在相同压载水容量条件下，外界环境温度越低，内外温差越大，热交换越剧烈，压载舱温度变化越迅速。结论结论采用 VOF 两相流模型和标准 k-湍流模型可以较好地揭示极地低气温环境下压载舱温度场的时空演化特征，分析内、外部热边界条件变化对压载舱温度场变化的影响，可为极地船舶压载舱防寒/防冻结提供必要的技术参考。关键词：极地船舶；热传递；数值模拟；流体体积法；温度场中图分类号:U663.85文献标志码:ADOI：10.19693/j.issn.1673-3185.02898 Numerical simulation of temperature field in side ballast tank of polar shipat low temperatureDING Shifeng1,HU Yangfan1,ZHOU Li*1,CAO Jing2,LIU Renwei1,LIU Zhibing31 School of Naval Architecture and Ocean Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China2 Shanghai Rules and Research Institute,China Classification Society,Shanghai 200135,China3 Marine Design&Research Institute of China,Shanghai 200011,ChinaAbstract:ObjectivesThis paper aims to analyze the influence of polar low temperature environment andballast water capacity on the dynamic change process of the temperature field in polar ships ballast tank.MethodsThe volume of fluid(VOF)model was used to simulate the two phases of gas and liquid,and thestandard k-turbulence model was used to simulate the fluid movement.The numerical analysis model of heattransfer in the ballast tank of polar ships was established to analyze the dynamic change process of the temper-ature field of the ballast tank at low temperature,and reveal the influence mechanism of multiple ambient tem-peratures and multiple loading heights on the temperature field of the ballast tank.ResultsWith the con-tinuous occurrence of heat transfer,the temperature in the area above the waterline of the side ballast tank de-creases rapidly,and the cooling area extends laterally to the cabin and downward along the bulkhead respect-ively.When there is more ballast water,the temperature field in the cabin is relatively stable due to the largeheat capacity of water,but the air heat capacity is low and the temperature field changes greatly,which isprone to cyclones and further affects the temperature field distribution in the calculation domain.Under thecondition of the same ballast water capacity,the lower the external ambient temperature,the greater the differ-ence between internal and external temperatures,the more intense the heat exchange,and the faster the temper-ature of the ballast tank changes.ConclusionsThe VOF two-phase flow model and the standard k-turbu-lence model can better reveal the temporal and spatial evolution characteristics of the temperature field in theballast tank in polar low temperature environment,and analyze the influence of internal and external thermalboundary conditions on the change of the temperature field in the ballast tank,which can provide necessarytechnical reference for the cold/freeze protection of polar ships ballast tanks.Key words:polar ship；heat transfer；numerical simulation；volume of fluid method(VOF)；temperaturefield收稿日期:20220504 修回日期:20220717 网络首发时间:20231024 16:23基金项目:国家重点研发计划资助项目（2022YFE010700）；国家自然科学基金面上项目资助（52171259）；工信部高技术船舶科研项目（工信部重装函 2021342 号）作者简介:丁仕风，男，1981 生，博士，高级工程师。研究方向：极地船舶与海洋工程。E-mail：周利，男，1983 年生，教授。研究方向：极地船舶与海洋工程。E-mail：*通信作者:周利 第 18 卷 第 5 期中 国 舰 船 研 究Vol.18 No.52023 年 10 月Chinese Journal of Ship ResearchOct.2023 0 引言南北极蕴藏丰富的资源，拥有极高的开发利用价值。随着全球变暖，极地温度上升，极地海冰范围和厚度逐年减小，使开发极地资源、应用北极航道成为近年来的海事热点。低气温是极地环境主要风险之一，将影响船舶结构、设备和系统的功能等，如船舶积冰稳性、压载系统、安全设备等1-2，是极地船舶设计和极地航运实践中需要重点关注的环境威胁。目前船级社规范中对压载舱防寒提出了原则性要求，但尚不清楚压载舱在低气温条件下的温度场分布规律、温度场的影响机制等，给船舶液舱防寒防冻带来困扰。研究低气温条件下的压载舱温度场具有重要的工程应用价值。国内外学者做了大量关于液化天然气（liquefied natural gas，LNG）运输船3的温度场模拟研究。章伟星等4-5使用 ANSYS 数值仿真软件，对薄膜式 LNG 运输船的温度场进行有限元分析，研究船体主要构件、骨材、空气对流等因素对换热的影响，以及液货舱维护系统在 8 种工况下各部分的温度分布和应力情况。吕立伟6等针对薄膜型 LNG 船横向隔离舱，通过对温度场进行分析，研究出一组自然对流的简化公式，提高了工程实际应用效率。丁仕风7等和顾俊8基于MSC/PATRAN 和 MSC/NASTRAN 大型有限元软件，对 LNG 运输船和 LPG 运输船的温度场分布和温度应力进行了深入研究，同时确立了低温作用 下 船 体 的 用 钢 等 级。马 晨 增9结 合 SPB 型LNG 运输船的结构特点和传热特性对构建传热模型的问题进行处理，同时运用有限元模型进行模拟仿真得到温度场，对 SPB 型 LNG 运输船温度场分析具有一定的意义。蒋军10使用 NASTRAN计算软件，介绍热传导、热对流和热辐射等 3 种传热方式的三维有限元温度场计算方法，发现这种方法更能体现 C 型 LNG 船货舱各区域的温度变化。刘金峰等11、闫勇思12等通过运用简化模型计算对流换热系数来研究 B 型 LNG 船和加注船温度场分布。与 LNG 船货物的超低温条件不同，沥青船货物为高温条件，也存在温度场分析问题13-14。这些研究关注温度载荷对结构的响应，在计算中通常不考虑气液两相的相互耦合作用、也忽略了多元环境条件对温度场的影响。极地冬季环境温度的平均气温在30 以下15，对于常年在极地航行的船舶影响极大，比如极地LNG 船、极地甲板运输船等，这些船舶在空载航行时往往会使用大量的压载水调整航行姿态，压载舱易发生低温冻结16的问题。本文拟针对极地船舶压载舱，分析环境温度对温度场的影响，在此基础上，进一步分析不同极地环境温度和压载水容量对压载舱温度场的影响。通过对低气温条件极地船舶舷侧压载舱温度场的数值模拟研究，揭示压载舱温度场的动态变化规律，以期为极地船舶压载舱设计、极地航行过程中压载水管理提供必要的技术支持。1 压载舱传热计算模型及温度场分析 1.1 压载舱计算模型极地船舶在极地行驶时，会受到空气、海水热对流作用及太阳辐射作用，鉴于研究需要，为简化热传递情况，因此忽略太阳辐射和热辐射17-18。分析压载舱内部的热传递过程，忽略船舶在极夜条件下的热辐射影响，舱室内的传热方式有船体舷侧水线以下发生海水强迫对流换热，水线以上发生外界冷空气强迫热对流换热，舱室内发生热空气自然对流换热，内部存在冷热空气自然对流换热。参考某条船的压载舱实际尺寸，建立压载舱的二维模型19，如图 1 所示。顶部舱室热传递热传递热传递热传递热传递海水内部热空气外界冷空气底部舱室内部舱室空气冷空气海水压载水HH4H5H3H2图 1压载舱内部简化热传递示意图Fig.1 Simplified heat transfer diagram inside ballast tank 当存在气相和液相，且两相不相互混合的情况下，两种流体之间会形成一个相界面，相界面的分布会影响流体之间的相互作用力。在数值模拟过程中如何捕捉相界面是一个很重要的问题，VOF 类方法可以很好地保持流体质量守恒并且轻易处理界面拓扑结构的变化，因此选择 VOF 模型，它可以使不同的组分共用一套动量方程，通过引进相体积分数这一变量，实现对每一个计算单元相界面的追踪。数值计算的控制方程如下所示。动量方程：t(v)+(vv)=(v+vT)+g+F(1)式中：v 为平均速度；P 为气相压力；F 为气液相互66中 国 舰 船 研 究第 18 卷PvvT作用项；为密度；为流体黏度；为拉普拉斯算子；为压力差；为速度差；为速度矢量转置项。能量方程：t(E)+v(E+P)=(KeffT)+Sh(2)T式中：Keff为有效导热系数；Sh为源项，包括辐射及其他体积热源；E 为总能量；为温度差。采用 Fluent 软件 VOF 模型进行数值模拟仿真计算。选择标准 k-湍流模型20。船体材料设置为普通钢材，物质的有效导热系数与温度相关，船用低碳钢温度在30 45 范围，导热系数随温度变化的幅度很小21，因此其变化不予考虑。数值模型网格边长为 0.1 m，总网格数为1 545，相关计算边界条件如表 1 所示，采用压力的隐式算子分裂（PISO）算法和 PRESTO！压力离散进行计算处理，时间步长设为 0.1 s，时长设为1 h，初始计算域温度为 274 K，计算总时间约为14.5 h，残差曲线收敛稳定后均小于 1105。表 1 压载舱边界条件9Table 1 Ballast tank boundary conditions9位置对流换热系数/(Wm2K1)温度/H23.1220H3/Top3.125H4130.562H515.2130 表 1 给出的边界条件为：1）左侧压载舱与舱壁接触面 H2的温度设置为 20；2）左侧压载舱底部 H3和顶部（Top）与舱室接触，温度设置为 5；3）右侧压载舱与海水的接触面 H4温度设置为2；4）右侧压载舱与空气的接触面 H5温度设置为30。1.2 压载舱温度场数值分析计算在极地低气温环境下的压载舱温度场的动态变化过程，截取其中的典型瞬时温度场云图如图 2 所示。由图 2 可见，从 10 s 到 460 s，空气域中的冷空气迅速扩张，与热空气进行自然对流换热，舱室内部空气产生明显的温度差，在 460 s 时，水线靠近冷气舱壁处出现降温迹象；在 520 s 时，冷热空气交汇处出现气旋，此时右侧冷气舱壁处的水线出现细的条状降温迹象；在 910 s 时，空气域温度场逐渐稳定，气旋温度降低，压载水形成较为明显的条状降温区；从 3 600 s 的温度场变化云图可见，在外界环境温度不变的情况下，随着时间的推移，压载舱内的空气域温度场逐渐稳定，仅气旋中心温度稍有降低，在冷气和海水的共同作用下，冷气舱壁处出现了明显的降温区，降温区中心温度不断下降并且向下和向左延伸。为了明确温度场的变化，采用点探针选取自由液面附近及液面下 6 个监测点，a，b，c 分别为自由液面最左侧点、中点、最右侧点，e，f，g 分别为降温区顶点、中点和末尾点，获得的监测点温度曲线如图 3 所示。如图 3（a）所示，由于空气的热容较小，左、右两侧点受到边界条件的影响，温度变化幅度较大。左侧点 a 靠近热源，温度上升 0.8 K 左右；右侧点 c 靠近冷源，温度下降 1.6 K 左右。但是由于环境冷空气温度占据主导地位，所以两点的温度趋势仍然保持不变；自由液面中点 b 温度变化很小，是因为空气域存在气旋，气旋延缓了冷空气的作用效果。如图 3（b）所示，由于水的热容大，因此曲线较为稳定，可以看出越靠近水线的监测点温度下(a)t=10 s(b)t=460 s(c)t=520 s(d)t=910 s(f)t=3 600 s温度/K274.00273.90273.80273.70273.60273.50273.40273.30273.20273.15273.10273.00图 2压载舱温度场变化云图Fig.2 Contours of temperature field change in ballast tank 第 5 期丁仕风等：低气温条件下极地船舶舷侧压载舱温度场数值模拟研究67降得越快，在 1 500 s 时上端点温度曲线出现下凹的现象，这是因为此时冷空气向下蔓延，造成温度急剧下降，压载水内部出现热传递现象；降温区中点 f 和末尾点 g 温度始终处于下降趋势，无较大的温度波动。(a)自由液面中点空气温度曲线06001 2001 8002 4003 0003 600t/s274.8274.3273.8273.3272.8272.3271.8abc左侧点 a中点 b右侧点 c06001 2001 8002 4003 0003 600t/s274.0273.9273.8273.7273.6273.5273.4gfeefgabc顶点 e中点 f末尾点 g(b)自由液面右侧降温点温度曲线T/KT/K图 3监测点温度变化曲线Fig.3 Temperature change curve of monitoring point 可见，冷空气对空气域的作用效果最明显，压载水温度下降首先出现在水线靠近冷空气舱壁处，且降温趋势沿舱壁向下延伸，可见外界环境条件、船体热传导、流体内部自然对流、内部舱室温度等热边界条件都是影响压载舱温度分布的主要因素。本文通过数值模拟所获得的计算结果符合热传递的基本规律，与对压载舱温度分布的常识相一致。2 压载舱温度场影响参数敏感性分析在低温下，有 2 种参数会对压载舱温度场产生影响：第 1 种是热传递边界条件，包括舱室内的热空气温度、海水温度、外环境温度等，第 2 种是压载舱的液面高度。为了研究不同的热传递边界和液面高度这 2 个因素对压载舱温度场演化的影响，设定对照实验，对比温度场演化的进程，从中得出规律。2.1 压载水容量的敏感性分析改变压载舱的液面高度，舱内空气流动、水域大小、温度场分布也会发生变化，为了研究在不同液面高度下压载舱中温度场分布变化，在同样热边界条件下，设定 1.5，3.0，3.5，4.0，4.5 m 这5 种不同的液面高度，在 t=3 600 s 的压载舱温度场如图 4 所示。(a)H=1.5 m(b)H=3.0 m(c)H=3.5 m(d)H=4.0 m(f)H=4.5 m温度/K274.00273.90273.80273.70273.60273.50273.40273.30273.20273.15273.10273.00图 4t=3 600 s 时不同液面高度下温度场分布Fig.4 Temperature field distribution under different liquid levelheight at t=3 600 s 从图 4 可见，当液面高度发生改变，空气域的大小也发生变化，冷空气的作用范围和效果也发生改变，舱室内的温度场也随之变化。液面越低，空气域降温程度越高，压载水的降温区越小，冷空气作用效果越大，但是当液面高度为 1.5 m时，过低的液面增强了舱室内的热空气作用效果，减缓了冷空气对压载水的作用；液面较低的舱室等温线在冷热空气交汇处均匀排布，液面较高的舱室空气域出现气旋；压载水降温情况和空气域相反，液面越高的舱室降温越明显。在不同68中 国 舰 船 研 究第 18 卷液面高度情况下，对每个自由液面的中点上方空气和最右侧降温点施加监测点，得到的温度曲线如图 5 所示。(a)自由液面中点空气温度曲线06001 2001 8002 4003 0003 600t/s274.00273.99273.98273.97273.96273.95273.94273.931.5 m3.0 m3.5 m4.0 m4.5 m06001 2001 8002 4003 0003 600t/s274.0273.9273.8273.7273.6273.5273.4273.31.5 m3.0 m3.5 m4.0 m4.5 m(b)自由液面右侧降温点温度曲线T/KT/K图 5监测点温度变化曲线Fig.5 Temperature change curve of monitoring points 图 5（a）是自由液面中点上方空气的温度变化趋势图。可以看出，由于初始热传递边界条件相同，短时间内发生外界强迫对流传热，因此 1.5，3.5，4.0，4.5 m 液面高度的温度曲线在起始阶段是相似的，温度下降趋势也相似；t=3 600 s 时，1.5 m液面高度的空气温度最高，这是因为舷侧存在冷空气对流传热和海水对流传热，在 1.5 m 液面高度下，由于液面过低，冷空气对流传热面只有舷侧 2 m 的舱壁，剩下的壁面均为海水传热，左侧舱壁热空气对流传热面增大，导致冷空气不再占据主导地位，因此 1.5 m 液面高度的空气温度并不随液面高度变小而变小；4.5 m 液面高度的空气温度比 4 m 液面高，这是因为 4.5 m 液面压载舱空气域形成的气旋较小；1.5，3.0，3.5 m 液面高度的空气温度呈现先下降后上升再下降的趋势，这是由于空气域增大到一定程度之后，冷空气将热空气挤压到水面，导致水面空气温度上升，但随着冷空气进一步增多，空气温度开始下降。压载水水线最右侧是降温点，从图 5（b）的温度曲线可以明显看出，液面高度越低，降温点的温度越高，舱内压载水的温度越高。液面高度越高，降温点降温速率越快，这是因为海水的温度较高，因此冷空气的传导是降温的关键因素。而冷空气的传导壁面仅有最上方的 2 m，冷空气进入低液面压载舱之后，先与舱内空气和热空气进行自然对流，使得压载水降温点温度下降得慢；液面越高，压载水和冷空气接触时间越早，降温速率也就越快。从图中可以看出，在 1 500 s 之后，3.0，3.5，4.5 m 高度液面都出现了温度快速上升的趋势，上升的原因是部分被挤压的热空气和压载水内部的热传递，3.0 和 4.5 m 高度液面补偿的热量多，但是随着时间增加，3 种情况下的温度仍是下降趋势；1.5 m 液面的温度一直处于平稳下降的态势。综上可以得出，压载舱液面高度的影响和船的吃水深度有关，当液面高度大于船的吃水深度时，空气域由于冷、热空气的自然对流产生气旋，气旋大小影响液面空气温度，此时冷空气占主导地位，舱室内的热空气对压载水降温区没有起到很大的作用，液面越高，降温速率越快；当液面高度小于船的吃水深度时，空气域的液面温度呈现先下降后上升再下降的趋势，液面越低，热空气作用效果越明显，压载水降温速率越慢。2.2 极地环境温度的敏感性分析热传递边界条件是影响温度场最重要的因素，为了探究外界环境冷空气温度和舱室内部热空气温度对压载舱温度场的影响，在液面高度保持 4 m 不变的情况下，设定 5 组边界条件，如表 2所示，分别进行仿真计算，得到的压载舱温度场云图如图 6 所示。表 2 压载舱不同边界条件实验组Table 2 Experimental group of different boundary conditionsof ballast tank工况舱室温度/环境温度/第1组 L12020第2组 L22030第3组 L31020第4组 L42040第5组 L51030 从图 6 可见，热边界条件的改变对温度场有明显影响，当外界冷空气、舱室内热空气与压载舱的温差相同或相近时，空气域中存在气旋，气旋大小会影响空气域的温度场变化。分别对比第 1 组和第 2 组、第 3 组和第 5 组云图可得，舱室内温度不变，外界温度降低 10，空气域冷空气明显增多，气旋中心温度降低，压载水降温区的温度明显下降，降温范围增大，外界温度越低，压第 5 期丁仕风等：低气温条件下极地船舶舷侧压载舱温度场数值模拟研究69载 舱 降 温 程 度 越 明 显；分 别 对 比 第 1 组 和 第3 组、第 2 组和第 5 组云图可见，外界环境温度不变，增大舱室内温度时，空气域温度上升，气旋温度上升，但是压载水降温区没有太大的变化，说明热空气温度对压载水降温的影响不大；由第 1，2，4 组云图可得，外界温度越低，空气域温度越低，压载水降温程度越高，降温区范围越大。(a)L1 工况(b)L2 工况(c)L3 工况(d)L4 工况(f)L5 工况温度/K274.00273.90273.80273.70273.60273.50273.40273.30273.20273.15273.10273.00图 6t=3 600 s 时不同热边界条件下温度场分布Fig.6 Temperature field distribution under different thermalboundary conditions at t=3 600 s 图 7（a）是在同一液面高度下，压载舱自由液面中点空气在不同的热传递边界条件下的温度变化趋势图，从图中可以清楚地看到两点在不同条件下的温度变化情况。如图所示，自由液面中点的空气域总体呈现降低趋势，当左侧舱壁为20、右侧舱壁为40 时空气域温度下降至最低；当左侧舱壁为 20、右侧舱壁为20 时空气域温度基本保持不变。温差越大，空气域温度降低程度越高，当内外温差相同时，外界环境温度越低，空气域降温越明显。图 7（b）是自由液面右侧降温点的温度曲线，曲线展示了温度变化的情况，从云图可见，5 条曲线均为下降趋势，冷空气温度越低，降温点的温度越低，在 1 300 s 之后，温度曲线出现小幅上升，这是压载水内部温度不均时的热补偿作用导致。在内外温差相同时，外界环境温度越低，压载水降温越明显。(a)自由液面中点空气温度曲线06001 2001 8002 4003 0003 600t/s274.02274.00273.98273.96273.94273.92273.90273.8806001 2001 8002 4003 0003 600t/s274.0273.9273.8273.7273.6273.5273.4273.3L1L2L3L4L5L1L2L3L4L5(b)自由液面右侧降温点温度曲线T/KT/K图 7监测点温度变化曲线Fig.7 Temperature change curve of monitoring point 由图 7 温度曲线分析结果可知，当舱内温度不变时，随着外界环境温度的下降，空气域和压载水有明显的降温现象；当外界环境温度不变时，舱内温度上升，对压载水温度的影响较小，外界环境温度越低，这种影响越微弱；当内外温差相同时，外界温度越低，降温程度越高，因此可以说明冷气是影响压载舱温度场的关键因素。3 结论本文以低气温条件极地船舶舷侧压载舱温度场为研究对象，通过合理地简化压载舱模型，设置热边界条件，较好地揭示了低气温环境下舷侧压载舱温度场的动态变化规律，可以为极地船舶压载舱设计、极地航行过程中压载水管理提供必要的技术支持。主要结论如下：1）在极地低气温环境下，压载舱会受到外界冷空气和海水的联合作用而产生温度下降的现象。由于内外温差，空气会形成气旋并影响热传递过程，降温区出现在水线与冷空气舱壁相接处，随时间的增加向下、向内延伸。2）分析了 5 种不同压载水容量对压载舱的温度场分布的影响：压载水越少，受低气温影响较小，压载舱温度下降缓慢；反之，压载水越多，70中 国 舰 船 研 究第 18 卷越容易受到极地低气温的影响，降温速度越快。将舷侧压载舱布置在水线以下是有效的防寒措施。3）极地冷空气是影响压载舱计算域温度场时空演化的关键因素，极地温度越低，内外温差越大，压载舱温度场降温趋势越明显，因此在压载舱附近设置高温舱室也是可行的压载舱防寒措施。参考文献：朱英富,刘祖源,解德,等.极地船舶核心关键基础技术现状及我国发展对策 J.中国科学基金,2015,29(3):178186.ZHU Y F,LIU Z Y,XIE D,et al.Advancements of thecore fundamental technologies and strategies of Chinaregarding the research and development on polarshipsJ.Bulletin of National Natural Science Founda-tion of China,2015,29(3):178186(in Chinese).1赵振华,杨宇超,卫涛,等.极地自破冰科学考察船防寒设计研究 J.船舶,2017,28(5):18.ZHAO Z H,YANG Y C,WEI T,et al.On cold-proofdesign of self ice-breaking polar research shipJ.Ship&Boat,2017,28(5):18(in Chinese).2苏龙龙,苏娟,姜永胜,等.基于 ANSYS 的大型 LNG储罐温度场研究 J.辽宁化工,2019,48(12):11951198,1245.SU L L,SU 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