海水-冰晶两相流非等温流动及传热

船舶在冰区航行时,存在冰晶颗粒混合海水流入船舶冷却系统现象。基于颗粒动力学理论,建立适用于海水-冰晶两相流的欧拉-欧拉双流体模型,耦合相间传热传质模型对海水-冰晶两相流在水平直管内流动及传热特性数值模拟。研究表明,冰晶颗粒流动过程中,在管道上部位置R为8 mm^10 mm处冰晶体积分数达到最大值,且随着速度增加而增大;当入口含冰率(IPF)为4%时,冰晶速度的最大值出现在管道中心轴线上方。当入口速度为1.0m/s^3.0m/s,含冰率4%~30%时,局部传热系数随入口速度及含冰率增大而增加。

极地船蝶阀及管道内不同开度下海水—冰晶两相流流场特性及冲蚀数值模拟

文章以极地船海水冷却系统中的蝶阀及管道为研究对象,在Fluent平台上采用RNG k-ε湍流模型及DPM模型,计算得到了海水—冰晶两相流在蝶阀管道中的流场特性及冲蚀磨损,并选取3个有代表性的蝶阀开度即30°、60°和90°的计算结果进行对比。研究结果发现:蝶阀的开度越大,流场越稳定。各开度下阀板前、后缘与管壁间都存在2个高速区,且阀板前后压差随开度增大而减小,阀板后存在负压区域,涡流现象随开度增大逐渐消失。此外,蝶阀开度越大,蝶阀受到冰晶颗粒的冲蚀磨损越小,最大冲蚀速率也随之减小。研究还得到了蝶阀管道受冲蚀磨损较严重的位置,为船用蝶阀在不同工况下提供科学预测和参考。

冰晶对极地船海水冷却管路两相流换热规律的影响

针对极地运输船海水冷却管路不同含冰率情况下冰塞形成问题,运用计算流体力学（CFD）数值模拟方法,计算分析14 500 t散货船部分水平海水冷却管路两相流流动特征,揭示管内冰晶运动速度分布与平均努塞尔数大小变化及管内是否存在不发生冰塞的平均含冰率区间。仿真结果表明,冷却管路平均含冰率超过7%会造成管内冰塞。与以往实验数据对比说明,极地航行时该散货船海水冷却管路确实存在最优含冰率区间,其最优平均含冰率控制区间为2%~6%。

冰区船舶换热器中两相流传热特性的仿真与实验研究

为了防止冰区船舶在航行时换热器发生冰堵,以管壳式换热器管程换热管为研究对象,通过编译UDF程序,在CFD软件FLUENT中将传热传质模型嵌入欧拉-欧拉双流体模型对海水-冰晶两相流在水平换热管内非等温流动的传热特性进行数值模拟,同时采用实验测试系统展开实验对照.结果表明:恒定热流密度边界条件下,在入口含冰率IPF=0%~30%,U=1~3 m/s范围内,海水与冰晶之间的传热传质过程随流速、冰晶体积分数,以及热流密度的增加而增强,局部平均传热系数随入口流速和含冰率增加先增加最终趋于稳定.由于换热管直径相比于海水管道相对较小,对于换热管中两相流的非等温流动采用实验和理论相结合的研究方式具有很重要的意义.

振动工况下船舶管道中冰晶流动特性

极地船舶航行中,针对船舶海水冷却系统管内冰堵问题,本文基于CFD数值模拟方法,采用欧拉-欧拉双流体模型研究振动对水平直管中海水-冰晶两相流流动特性的影响,分析不同振幅、振动频率工况下水平直管内冰晶颗粒体积分布及流动压降的变化。通过实验与仿真分析,在振动频率为20 Hz条件下,直管进出口压降随振幅从0增大到1.2 mm,误差在20%范围内,确保模型的有效性。随着振动频率从0增加到50 Hz及振幅从0增大到1.2 mm,直管上壁面附近海水-冰晶颗粒体积分布逐渐减少。流速及湍流动能在近壁处均低于主流区且随振动增加而增大,而在主流区受振动影响较小。

冰粒对船用离心泵压力脉动特性的影响

为研究冰粒对船用离心泵压力脉动的影响,基于CFD数值模拟方法,采用欧拉-拉格朗日模型对不同冰粒体积分数工况下和不同冰粒直径工况下离心泵的压力脉动特性进行研究。通过试验与仿真结果分析发现:叶轮流道各区域的压力脉动随着冰粒体积分数增加而增加,当冰粒体积分数ϕ=0.09时,叶轮中部区域的压力脉动变化最为显著;压力脉动随着冰粒体积分数的增加而增加,蜗壳出口处压力脉动变化趋势表现出不明显的异向性;当冰粒直径d=0.5mm时,叶轮中部区域的压力脉动最大,叶轮出口处的压力脉动随着冰粒直径的增大而增大,叶轮中部区域的压力脉动随着冰粒直径的增加而减小;蜗壳流道处的压力脉动受冰粒直径影响较小,整体表现为随着冰粒直径的增加而增大。

振动对冰级船海水管道冲蚀磨损的影响及防护

目的研究海水管道在振动工况下受冰晶颗粒的冲蚀磨损规律,提出极地船海水管道系统优化措施,保障船舶在极地区域安全航行。方法通过CFD(计算流体动力学)中的离散相模型、冲蚀磨损模型和动网格技术,研究不同振动工况下冰晶两相流对水平和竖直方向布置的90°弯管冲蚀磨损特性,预测管道使用寿命变化情况。结果弯管磨损严重区域随振动工况发生改变,振动对水平弯管的磨损比对竖直弯管的大;振幅一定时,竖直弯管使用寿命均高于水平弯管,水平弯管从218.64 d降低到最小的12.75 d,竖直弯管从332.40d降到43.12 d。振幅为1 mm时,水平弯管在频率为10~20 Hz之间出现使用时间转折突变的现象,从112.01d增大到173.24 d,然后又大幅减小。结论振动对90°海水管道的使用寿命产生显著影响,80 Hz、2 mm振动工况的管道使用寿命比无振动时减少了205.89天。

冰级船海水管路冰塞的影响因素分析与改进

针对极地和渤海湾地区冰期大量细小海冰随水流进入海水管道引起的冰塞问题,以极地运输船海水冷却系统为研究对象,文章利用Fluent软件分别对水平直管和法向弯管进行冰水两相流数值模拟,分析在不同入口流速与内循环系统温度的条件下,水平直管和法向弯管对海水-冰晶两相流换热影响的关键因素,以及海水管道内海水-冰晶换热分布情况。利用仿真分析结果,针对海水系统提出了防冰塞改进措施。

冰级船板式换热器流动传热分析及结构优化

采用数值模拟方法研究换热板结构对冰晶两相流换热机制和流动特性的影响。研究结果表明:波纹倾角β=60°、波纹深度h=4 mm、波纹间距λ=12 mm为所研究的换热器适用于海水-冰晶两相流的最佳值。利用宽通道对其进行结构优化设计,并采用相关试验数据验证。结果表明:宽通道间距为16 mm时,换热强度最大,流动阻力较小,可有效防止冰晶堵塞板内沟槽,且此时的换热效果和流动特性最佳,适合极地工况下冰晶两相流流动换热。