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基于FLUENT的嚴寒地區塢門融冰系統效果分析

  • 作者:
  • 中國暖通空調網
  • 發布時間:
  • 2021-09-07

李崢嶸1,樊雪軻1,潘欣鈺2,沈清清2
1同濟大學機械與能源工程學院;2中船第九設計研究院工程有限公司

       【摘  要】嚴寒地區船塢塢門凍結影響生產過程,設計電加熱棒融冰裝置使塢門與冰層脫離。使用FLUENT軟件對電加熱棒融冰過程進行數值模擬,以液態水的體積分數判斷融冰過程的完成程度,分別研究有無自然對流兩種工況下的融冰形狀分布、溫度分布、液態水中速度分布,分析了自然對流對融冰過程的影響。結果表明,自然對流的存在雖然增加了換熱速度,但影響融化發展形狀,使得融化范圍偏離設定區域,最終導致融化時間的延長,是本次工況下的不利因素,需要采取措施調整設計以實現更快速的融冰過程。

       【關鍵詞】冰融化,自然對流,數值模擬

0 引言

       船塢塢門大多接觸海水,在嚴寒地區,冬季存在部分船塢塢門在海水溫度低于冰點時被海冰凍結的情況,影響塢門開閉從而影響工作,因此需要對塢門防凍及融冰進行研究。融冰一般有兩種方式:熱融化、化學融化。船塢塢門的冰-門脫離問題是一種內融冰問題,為減少裝置的復雜性以及投資成本,減輕操作難度,希望使用電加熱棒融冰。

       模擬仿真過程對研究設計方法或裝置有效性和性能有著極大的幫助,同時也能夠根據模擬結果對方法或裝置進行優化和調整,以達到更好的運行性能。徐勝輝[1]利用ANSYS軟件,通過對化雪融冰裝置進行的仿真模擬來了解該裝置的性能,并通過模擬結果對裝置進行了一定的優化。馬劍龍[2]對內融冰式蓄冰管進行了傳熱性能模擬,反映了自然對流對傳熱性能的影響。樊玲[3]用焓方法以機翼電除冰為例進行相變導熱問題的計算,分析了不同因素對除冰過程的影響。

       本文利用FLUENT模擬在塢門上安裝電加熱棒融化附近海冰實現冰門脫離的過程,分析其融冰效果及影響因素,得到融化一定范圍內的所需時間,對自然對流的影響進行分析。

1 計算模型

       選取長度為4.5m的一根電加熱棒為研究對象,計算區域包括海水凍結區、電加熱棒和船塢外壁。認為冰層厚(高)600mm,寬300mm,長為6.5m,電加熱棒水平放置在槽鋼中,槽鋼長度與電加熱棒相同且兩端對齊,左右居中,因此加熱棒兩端分別有1m冰層。電加熱棒與槽鋼位于300mm高度(中心高度),鋼槽貼附在塢門表面上,鋼板內側的保溫材料熱工參數按照50mm的巖棉計,長度、高度與冰層相同。融冰范圍為指定圓心到未融化冰層距離至少為65mm,圓心位于加熱棒中心。電加熱棒細節尺寸見圖1.


圖1 電加熱棒豎直方向剖面圖

2 計算條件

       各類材料的初始溫度、導熱系數、密度、定壓比熱容匯總見表1。認為在整個傳熱過程中,海冰、海水的導熱系數、密度、定壓比熱容保持不變。每根電加熱棒的發熱量為12.7 ,認為其發熱量均勻穩定。海冰融化溫度為0℃,融化熱為334 。冰層除與塢門接觸的邊界外,其他邊界均絕熱。船塢外壁的最右側為塢門鋼板外壁的內側,定溫壁面,塢門上下及兩端邊界絕熱。

表1 材料初始條件及物性參數

3 融冰模型的建立

       由于幾何模型及其邊界條件左右對稱,為了減少計算量,對模型在水平方向上進行居中切分,僅及建立了一半的幾何模型,具體可見圖2(a)。此外,對加熱棒靠近槽鋼處的倒圓角進行了直角簡化,見圖3(b),以方便網格的劃分,認為對整體計算結果影響可忽略。
采用ICEM對模型進行網格劃分。為了得到更好質量的網格,對經過簡化的幾何模型全部采用結構化網格(如圖3)。網格質量大部分達0.5以上,滿足模擬需求,網格數量共計1,700,854。


圖2 使用ICEM建立的幾何模型及簡化

圖3 模型的結構化網格

4 換熱理論

       本模擬涉及到流動及傳熱問題,及模擬過程要遵循三個最基本的守恒定律,即質量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律,在流體力學中這三大定律具體體現為連續性方程、動量方程和能量方程[4]。軟件的計算也是以此三大方程為基礎進行的。在本案例中冰層融化過程中存在以下幾種換熱情況:通過冰層、水、槽鋼的導熱過程;冰融化為水的相變過程;水自然對流導致的對流換熱過程(考慮自然對流的情況下)。

       以導熱為主的相變物質的凝固(融化)問題在傳熱學上稱為Stefan問題,即伴有潛熱的移動界面導熱問題。Stefan問題中存在固液兩相的熱物性不同、液相區的自然對流、固相區的過冷等情況,需要進行適當簡化。實際冰層融化過程中應該還存在輻射傳熱過程,因在本案例中輻射傳熱的存在對融冰速率是有利影響,因此認為可以簡化而不考慮此過程。

       根據傳熱學的定義,本模擬涉及到兩類邊界條件:第一類邊界條件:船塢外壁的最右側為船塢鋼板外壁的內側,定溫壁面,溫度為5;第二類邊界條件:加熱棒的發熱量為12.7 ;冰層外部邊界為絕熱邊界;巖棉除了外側定壁面溫度邊界,其他外部邊界均為絕熱邊界。

5 FLUENT數值計算

       將建立好的幾何模型生成的網格導入FLUENT軟件中,對各個邊界條件進行設置。本次模擬采用了基于壓力求解器(Pressure-Based)PISO分離求解方法瞬態求解,這種方法對于瞬態計算更為適用,且總體效率較高。采用能量模型、凝固和融化模型和層流粘性模型。對于自然對流的流體流動狀態,需要根據格拉曉夫數Gr進行判斷,格拉曉夫數按照式(1)[5]計算。

           (1)

       式中為重力加速度,為流體體積膨脹系數;為特征長度;為流體溫差;為運動粘度。根據式(1)計算得到

       

       由上式可知,在此次模擬中自然對流流體的格拉曉夫數Gr≤109,流體流動狀態為層流流動,因此可以使用層流粘性模型。

6 塢門融冰計算結果分析

       本次模擬的要求冰層融化至距離加熱棒與塢門壁面接觸面的中心線至少65mm。以水的體積分數作為判斷標準,認為當水的體積分數為1時,該區域的冰已經完全融化為水;當體積分數0時,該區域冰層尚未開始融化;當體積分數在0~1之間時,該區域為冰水混合物狀態。當指定區域水的體積分數恰好達到1時,記錄整體過程時間。

       6.1 融冰過程中的水體積分數

       6.1.1 考慮自然對流

       模擬結果經過后處理,如圖4。由模擬結果可知,與加熱棒及槽鋼接觸的(特別是與加熱棒導熱距離較近部分)海冰融化較快,這是由于槽鋼的導熱系數(52.34)遠高于海冰、海水和巖棉。在融冰的初始階段,海冰融化成海水的體積小,海水自然對流現象并不明顯,冰層的融化速度大致上下對稱。但隨著時間的推移,融冰范圍的擴大,海水有了足夠的空間進行自然對流,融化區域出現了明顯的豎直方向的不對稱現象。并且融冰時間越長,由于區域內海水密度的差異增大(在4℃后,海水的密度隨著溫度的升高而降低),海水的自然對流現象更加強烈,冰層融化區域的不對稱情況也越發明顯。

       從海水體積分數變化可以看到,加熱棒上部及前部冰層融化速度快于下部,是由于海水整體密度隨著溫度增大而減小,從而產生浮力,自然對流導致流體逆時針方向運動,致使加熱棒上部及前部冰層的傳熱更快。這種融化范圍變化趨勢與相關研究相符[6].

       隨著液態水體積的增加,由于海水的導熱系數(0.561 )遠小于冰層(2.2 ),加熱棒到未融化冰層的熱流速度減小,且海水比熱容是冰層的兩倍,因此較多的熱量儲存在海水中,而未傳遞到冰層,使得因此冰層融化速度降低。從融冰開始后第5000秒到16197秒,融化區域的變化并不明顯。

       此外,由于融化區域的上下不對稱,整體融冰區域上移,因此需要較長時間才能夠使得中心線下部的融冰區域到達65mm的所需范圍,此時總共需要融化的冰體積已經遠超所需范圍內的冰體積,增加了融冰所需時間。對于考慮自然對流的融冰過程,融化時間需要16,197秒(即4小時29分57秒);不考慮自然對流則需要5,295秒(即1小時28分15秒),比考慮自然對流工況短10,902秒(即3小時1分42秒)。


圖4 考慮自然對流情況下液體體積分數在不同時間下的分布

       6.1.2 不考慮自然對流

       與考慮自然對流的情況相比較,即對比圖4和圖5可知,在融冰的初始階段,考慮自然對流與不考慮自然對流的融冰速度差別很小。但當融冰已經進行了一段時間后,自然對流影響趨于顯著。在融冰的第200秒時,考慮自然對流的融化區域已經比不考慮自然對流的融冰體積明顯大。在融冰的第1000秒時,自然對流對于融冰的影響已經非常明顯,二者的融冰體積和范圍形狀已經有了很大的區別。


圖5 不考慮自然對流情況時液體體積分數在不同時間下的分布

       在不考慮自然對流時,融化區域在豎直方向上是對稱的。此時,相對于所需的融冰范圍,最不利點在水平方向上距離中心線的65處,而不再是最下方。相比于存在自然對流的工況而言,不考慮自然對流時,融化相同體積的冰層所需的時間更長,但是由于其融冰范圍在豎直方向上上下對稱,不存在融冰區域偏移的情況,滿足所需融冰范圍的需要時間相比考慮自然對流情況更短。

       6.2 融冰過程中的溫度分布

       本融冰模擬的初始溫度為271.15K(-2℃)。從圖6可知,由于槽鋼的導熱系數較高,且與加熱棒直接接觸,加熱棒的熱量可以較快的傳到槽鋼內,使其溫度相比海冰、海水、巖棉高,最高溫度出現在中心位置。相反,由于巖棉的導熱系數非常?。?.044 ),加熱棒傳到巖棉上的熱量較少,巖棉外部熱量(外部定壁面溫度5℃)幾乎傳不到冰層。


圖6 考慮自然對流情況下溫度在不同時間下的分布

       在初始階段,由于自然對流的強度較弱,槽鋼與水的傳熱系數較小,槽鋼的熱量未能及時傳導出去,導致其溫度上升加快,僅60秒時間槽鋼溫度就由-2℃(271.15K)上升至最高約16℃(289.2K)。隨著自然對流的增強,槽鋼與海水間傳熱系數增大,槽鋼的熱量更快地傳到海水或海冰,因此槽鋼溫度上升速度減緩。此外,隨著自然對流增強,槽鋼及冰層上部溫度高于下部。同樣由于自然對流的存在,在整個融冰過程中,液態海水的溫度均勻,平均溫度上升緩慢,最高溫度為295.45K(即22.3℃)。

       6.3 融冰過程中的速度分布

       如圖7所示,在初始階段,由于海水較少且溫差較低,自然對流基本不存在。隨著海水的增多與溫差的增大,在加熱棒附近最先出現自然對流。大約200秒時,槽鋼附近出現了自然對流現象,但在下部該現象很微弱。隨著海冰的融化,存在自然對流的區域和流速逐漸增大,但因為海水較大的比熱容,使其溫差小,從而密度差較小,因此在自然對流區域中其流速也較小,最大僅為0.039 。由于右側塢門壁面阻擋,海水的自然對流趨勢以剖面觀察向逆時針方向發展,流動速度也有逆時針方向的循環特征。

       圖8展示了兩種工況下的融冰速率,由圖清晰可見,在融化相同體積(0.032m³)的冰層情況下,考慮自然對流所需時間小于不考慮自然對流情況。自然對流現象促進了水層中的換熱,熱量更容易到達冰層并傳遞給冰層作為融化熱。但由于自然對流導致區域偏移,考慮自然對流的工況融化到所需范圍的時間要更長,因為其花費了更多的時間和熱量用于融化偏移部分的冰層。

       然而在真實的融冰過程中,海水由于溫度變化導致的密度變化是不可避免的,因此考慮自然對流的模擬過程更為符合實際。自然對流在相變傳熱過程中影響兩相界面、傳熱速率、總換熱時間[7],而忽略此過程則會使模擬與真實情況有較大的偏差。


圖7 考慮自然對流情況下速度在不同時間下的分布

圖8 考慮與不考慮自然對流兩種工況下的融冰速率曲線

7 結論

       本文利用FLUENT軟件進行相變、傳熱和流動模擬,研究特定工況下冰凍塢門解凍裝置的作用過程,分別對考慮自然對流和不考慮自然對流作用下的冰融化工況進行分析,得到以下結論:

       1)無自然對流工況下冰層融化的形狀和溫度呈線性發展,冰層融化區域上下對稱;有自然對流工況下,冰層融化形狀呈現上部堆積,溫度分布均勻。

       2)自然對流加速相變過程,但導致融化區域偏移從而增加融冰時間,在本工況下為不利因素,需要采取措施避免或干擾。

參考文獻

       [1] 徐勝輝. 基于ANSYS的化雪融冰裝置性能分析及優化[D]. 山東:山東理工大學,2013. 
       [2] 馬劍龍. 內融冰式蓄冰管三維傳熱性能動態模擬[D]. 哈爾濱工業大學, 2007. 
       [3] 樊玲. 結冰融冰過程的數值模擬[D]. 南京航空航天大學, 2005. 
       [4] H K Versteeg, W Malalasekera. An Introduction to COMOUTATIONAL FLUID DYNAMICS-The Finite Volume Method, Second edition[M]. PEARSON Prentice Hall. 1995.
       [5] 楊世銘,陶文銓.傳熱學[M].第三版.北京:高等教育出版社, 1998.
       [6] 王全福, 王方, 倪珅. 內融冰式蓄冰管融冰性能的數值模擬[J]. 低溫建筑技術, 2012, 34(3):125-126.
       [7] 李鈞, 周孝清. 數值模擬分析自然對流對管殼式相變蓄熱裝置熔融過程的影響[J]. 區域供熱. 2019, (4): 151-158.

       備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2021年4月刊 總第42期(第二十屆全國暖通空調模擬學術年會論文集)。版權歸論文作者所有,任何形式轉載請聯系作者。

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