冰级船海水管路冰塞的影响因素分析与改进

徐 立，汤 冰，张来来，江焕宝

(武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

技术交流

冰级船海水管路冰塞的影响因素分析与改进

徐 立，汤 冰，张来来，江焕宝

(武汉理工大学能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

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。

海水系统；海水-冰晶两相流；数值模拟；防冰塞改进

在极地和渤海湾地区冬季低温环境下，船舶航行时船舶辅机设备为了减少高温影响，内循环冷却系统会利用外部海水参与冷却循环，达到海水管道换热的理想状态。而大量细小的海冰会顺水流进入海水管道系统，形成海水-冰晶两相流，影响海水管道系统运行特性。大量堆积冰体会造成辅机的冷却管路堵塞，严重时造成冷却器瘫痪，冷却水温过高，最后辅机不能正常工作，造成船舶动力系统瘫痪而失控。文章研究的极地运输船海水冷却管路是经过一般防冰设计改进后的管路系统(如图1所示)，其拥有独立于海水舱之外的压载水舱来应急存储海水，并在压载水舱外侧加装特定的管道、附件和阀门，使冷却海水在压载水舱和上述管道间循环。这种改进不仅能够“搅拌”压载水舱里的海水，降低海水结冰的可能，还能在通海阀箱冰堵的情况下，冷却压载水舱。该管路系统还在内循环系统内加装了蒸汽或热水加热管。

1-水线；2-蒸汽或热水加热管；3-海水舱；4-出入舱口；5-隔离阀；6-过滤器。图1 带海水冷却循环的海水系统

1 海水-冰晶模型

文章研究环境近似于渤海湾冬季和北极夏季，参考极地地区冰晶的生长机制[1]，将海水视为不可压缩均质流体，取冰晶直径为0.003 m。根据“永盛”轮航行记录与我国第4次北极科学考察报告的资料，查得海水、冰晶的热物理性质如表1所示。取海水管道中最具典型的水平直管和法向弯管作为仿真模型，模型参数如表2所示。

表1 海水和冰晶热物理性质表

表2 海水管道模型参数

2 海水管道的仿真模拟

利用CFD软件中的Icem和Fluent分别对海水管道进行建模与仿真。为了更好地研究海水-冰晶两相流在水平直管与法向弯管内的换热情况，选择合适的内循环系统温度边界和海水入口流速参数，通过控制变量来对比它们对管道内两相流流体的换热影响程度。其中Determinant 2×2×2的网格质量均布0.55～1.0，Angle网格质量均布45°～90°,冰晶的重力方向为-Z，大小g=-9.8 m/s2。

参考运输船相关资料[2]，内循环系统温度一般维持在303.15～ 358.15 K(即30～85 ℃)，文章基于极地运输船海水管道系统，在极地环境下内循环温度要低于这个参考值。设定内循环系统温度边界T=320 K，入口海水速度V=1.000 m/s，入口冰晶速度Va=0.100 m/s，进行Fluent仿真，得到水平直管和法向弯管的速度云图和换热云图，其特征表现为以下几点。

1) 在内循环系统温度边界T=320 K，入口海水速度V=1.000 m/s，入口冰晶速度Va=0.100 m/s条件下，水平直管的换热不如法向弯管充分，水平直管入口段和法向弯管的转角处一段区域冰晶速度为0 m/s，此处易发生冰堵现象。

2) 通过2个管道的入口区域和法向弯管的转角处的速度云图与换热云图可以清楚地发现：在速度较快区域，换热程度较低。

3) 海水-冰晶两相流体的颗粒分布均匀程度影响换热。海水管道入口段换热较均匀，因为海冰重力的影响，2个管道末段出现明显的换热不均。

3 数据分析

通过控制变量，测出水平直管和法向弯管在不同内循环温度和入口流速条件下的管壁平均换热系数，对比分析其换热分布和流通状态。

3.1 内循环温度对两相流换热的影响

控制入口海水速度V=1.000 m/s，入口冰晶速度Va=0.100 m/s，分别计算出水平直管和法向弯管在内循环系统温度边界T=300 K、T=320 K、T=340 K、T=360 K时，管壁的平均换热系数。其数据如表3、表4所示。

表3 给定内循环温度下水平直管的管壁平均换热系数

表4 给定内循环温度下法向弯管的管壁平均换热系数

不同内循环温度下的管壁平均换热系数对比折线图见图2。

图2 不同内循环温度下的管壁平均换热系数

通过对比折线图可以发现：法向弯管的管壁换热系数受内循环系统温度的影响要高于水平弯管，尤其在内循环系统温度超过340 K时，其管壁平均换热系数开始明显高于水平直管，内循环系统温度为在360 K时，达到水平直管平均换热系数的5倍，因此在法向弯管处不仅要考虑换热对冰塞形成的影响，还要考虑该处管路配件腐蚀与维护问题。

3.2 入口流速对换热的影响

控制内循环系统温度边界T=320 K，分别测出水平直管和法向弯管在不同入口海水速度及入口水晶速度下的管壁平均换热系数，见表5、表6。

表5 水平直管给定入口流速下的管壁平均换热系数

表6 法向弯管给定入口流速下的管壁平均换热系数

不同入口流速下的管壁平均换热系数对比折线图，见图3。

图3 不同入口流速下的管壁平均换热系数

通过对比折线图可以发现：水平直管和法向弯管的管壁换热系数随入口流速的增大而降低，并且水平直管受流速的影响要小于法向弯管。但在海水流速超过1.500 m/s后，其管壁平均换热系数趋于平稳，无明显变化。因此，利用增大入口流速来增加换热系数的效果有限，并且入口流速的增大会引起冰晶颗粒的流量和质量的增大，水平直管与法向弯管的磨损也会相应增大。

3.3 两相流冰晶颗粒分布对换热的影响

海水流速的增大会引起海水-冰晶两相流流动状态发生改变，观察在内循环系统温度边界T=320 K，入口海水速度V=1.500 m/s，入口冰晶速度Va=0.127 m/s条件下法向弯管的速度和换热情况。不同海水流速情况下，海水-冰晶两相流的换热情况与颗粒分布情况保持一致。在法向弯管入口段和出口段，流动较平稳均匀，换热充分；在转角处海水-冰晶两相流体强制对流明显加强，换热减弱。因此该区域不仅换热程度低易发生冰塞现象，而且强制对流明显，对管路设备损耗大。

4 改进措施

针对极地船海水管道冰塞问题，参考挪威船级社(DNV)和美国船级社(ABS)颁布的部分冰区加强型船舶设计规范，可以对极地船海水管道做出如下改进。

1)所有PC1～PC5冰级船，吸入管道的设计流速都不能超过2.000 m/s，船舶航行工况若需要大量海水参与冷却，只能通过增加吸入海水的管道数目或增大管径的方式。

2)海水吸入管道应布置在船尾附近靠近中线的位置，海底门的布置尽量放低，以减少浮冰的吸入。另外应设置高位海底门，防止进入渤海湾地区浅水航道时，大量泥沙进入海水管路。

3)采用最新的SEA BAY海水冷却系统的海水箱，这种海水箱下部称作海水箱进水口，直接联通主甲板；其海水沉淀箱与海水总管连接；所有的设备都由海水冷却泵直接从海底沉淀箱取水冷却。海水箱上部称作SEA BAY，其与海水箱进水口直通往主甲板，并设置了人孔盖。因为浮冰的密度小于海水，浮冰进入海底门后直接进入SEA BAY区域。采用SEA BAY海水冷却系统，能够极大地减少进入海水总管的浮冰，对于进入海水沉淀箱的少量冰晶，大多数在机舱区域就能融化而不影响各种冷却设备。SEA BAY海水冷却系统结构如图4所示。

图4 SEA BAY海水冷却系统

4)在法向弯管的转角处设置堰板或隔离板可以减少海水进口管被冰堵塞的可能。另外将蒸汽加

热盘管或伴热带安装在隔离阀、海水舱以及其他法向弯管转角处附近，以便在极端低温情况下达到除冰的目的。

5)在冰级船海水系统中所使用的附件、管路和阀的标准件，尤其是法向弯管转角处的标准件，应避免使用铸铁材料。根据上述分析以及冰区航行经验，由于铸铁材料的脆性，海水管道中在螺旋桨与冰的相互作用下所产生的振动以及海水-冰晶强制对流的冲击影响下，极易造成损坏。

[1] Yoshikazu Teraoka, Akio Saito,Seiji Okawa. Ice Crystal Growth in Super Cooled Solution[J]. International Journal of Refrigeration,2002,25(2)：218-225.

[2]张立文.船舶柴油机冷却水温度控制系统的研究与设计[D].大连：大连海事大学,2010.

For problems of ice berg aroused by a large amount of small ice-sea flowing into seawater pipes at polar and low temperature of the BOHAI Bay area, object of the study is based on sea water pipe system with seawater circulating cooling in polar cargo ship, models of straight pipe and normal bend are numerical simulation analyzed by software Fluent, the analysis includes key factors affecting the ice-sea two-phase flow under different conditions of circulating water temperature and water flow rate, and the heat distribution of ice-sea two-phase flow in the seawater pipes. By numerical simulation results, it can be proposed anti-ice berg improvement in seawater system.

seawater system; ice-sea two-phase flow; numerical simulation; anti-ice berg improvement

国家自然科学基金(51479152)

徐立(1975-)，男，湖北武汉人，副教授，博士，研究方向为船舶清洁能源技术应用、船舶动力装置性能分析。

U664.81+4

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.04.003

2016-03-09