SPB型LNG运输船温度场研究

马晨增，唐文勇

（1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2. 高新船舶与深海装备协同创新中心，上海 200240）

SPB型LNG运输船温度场研究

马晨增1,2，唐文勇1,2

（1. 上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240；2. 高新船舶与深海装备协同创新中心，上海 200240）

对SPB型液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）运输船的温度场进行研究，该类型船区别于薄膜型船的独特的结构设计使得其温度场分析有一定的难度。在构建船体传热模型时，对特殊构件的热对流效应、船体内部对流传热空间的划分和对流换热系数的计算方式等问题进行分析，并做出合理的处理。以大型有限元软件MSC.Nastran和MSC.Patran为平台建立有限元模型，利用控制语言PCL编写计算程序，求解船体温度场。

LNG运输船；SPB型液舱；对流换热系数；对流空间；结构温度场

0 引 言

液化天然气（Liquefied Natural Gas，LNG）运输船（简称LNG船）由于装载极低温（-163℃）的LNG，使得整个船体结构存在着巨大的温度差异，最高温差可达到200K。如此大的温差带来的温度应力对船体结构的安全性有一定的影响，因此研究该类型船舶的温度场具有重要意义。

大型LNG船具有内外温差大、内部结构和传热过程复杂的特点。国内外相关学者已针对LNG船的温度场进行大量研究，例如：余祥虎[1]利用ANSYS软件计算薄膜型液舱的温度和应力场；章伟星等[2]和冯武文等[3]利用船体对称性，通过对ANSYS软件进行二次开发，求解1/4液舱在8种工况下的温度分布，并计算各工况下的换热功率及日蒸发率；丁仕风等[4]基于MSC.Patran开发专用计算模块，求解船体内部各构件之间的对流耦合系数，简化LNG船温度场分析过程；ROH等[5-6]针对陆上LNG储罐，采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）软件分析外界热量的流入对其蒸发率的影响；SHAHRIAR[7]建立空心圆柱体的分析模型，研究其温度场及温度应力。

上述研究主要针对的是陆上LNG储罐和薄膜型LNG船，将构建的传热模型直接应用到SPB型船温度场的分析中尚有不妥之处。SPB型船由于具有独特的结构设计，其热量传递方式呈现出不同于薄膜型船或陆上LNG储罐的特征。本文根据SPB型船的结构特点和传热特性，针对其存在的问题对支承结构热对流效应的影响及船体板对流换热系数的确定等进行研究，构建相应的传热模型并计算船体温度场。

1 SPB型船传热特性

区别于常见的薄膜型LNG船，独立型LNG船的液舱与主船体是分开建造的，由具有独特结构的支承构件与主船体连接。液舱壁材料一般选用铝合金或9%镍钢，并利用绝热材料覆盖在舱壁外部[8]。B型独立液舱指的是采用精确分析手段确定液舱的应力水平和疲劳寿命等特性之后设计的液舱，SPB型液舱是其代表舱型[9]。典型的SPB型LNG船横剖面图见图1。

薄膜型船与SPB型船在结构设计上的不同导致两者的热量传递模式存在较大差异，图2和图3分别为2种船型的热量传递模式示意。

图1 典型的SPB型LNG船横剖面图

图2 薄膜型船热量传递模式示意

图3 SPB型船热量传递模式示意

由图2和图3可知，与薄膜型船相比，SPB型船的热量传递模式呈现出不同的特点，而这些特点也给其温度场的分析带来一些新的问题：

1) SPB型船的液货舱独立于主船体结构，在两者之间形成一个封闭的特殊空腔室，外界热量需经过船体外壳、外层空气、船体内壳、内层空气、绝热层及液舱壁才能传递到液舱内部。在研究薄膜型船的温度场时，有时采用的简化方法是将船体内部的空气视为全流通，即只有1个温度，这明显不适用于SPB型船。因此，在计算SPB型船内部对流传热时，必须适当地划分出不同的对流空间。

2) SPB型船的绝热材料是附在液舱壁外侧的，其外表面直接与空气接触，参与对流换热。在与空气进行对流换热时，绝热材料与船体构件之间存在差异，因此不能简单地假设船体内部结构的对流换热系数全部一致，有必要分类计算各构件的对流换热系数。此外，在确定对流换热系数时，是否有必要采用耦合算法也需作进一步分析。

3) SPB型船的液货舱与主船体之间通过特殊的支承构件连接。这些支承构件在以传导的方式将船体的热量传递给液舱的同时，还参与对流换热，其换热量对内层对流空间温度的影响程度有待进一步分析。

2 SPB型船传热模型

针对SPB型LNG船温度场分析存在的问题，结合该船的结构特点和传热特性构建相应的传热模型。

2.1 传热方式

本文认为船体内部主要的传热方式为结构的热传导和结构与空气之间的热对流，将热辐射的影响与对流换热系数耦合。在热传导计算中，忽略温度对各材料导热系数的影响。此外，认为热对流主要发生在船体板与空气之间，在计算对流换热时，将船体骨架视为船体板的散热肋片，即船体板的对流换热系数乘以一个影响系数。

2.2 对流空间

由第1节的分析可知，必须对SPB型船的内部空间进行划分，不能采用内部空气全流通的假设，其内部至少存在内外2层对流空间。内层对流空间内的结构较少，不必再进行划分，将其记为空间1；结合船体构件对空气流通性的影响，将外层空间划分为3个封闭的对流空间，分别记为空间2，空间3和空间4（见图4）。

根据中国船级社《薄膜型液化天然气运输船检验指南》的建议，认为对流空间内的温度是均匀分布的，由该空间热平衡方程得出，即：

图4 对流空间划分示意图

式(1)中：Tc为对流空间内空气的温度；hi为与围成对流空间的第i块板的对流换热系数；Ai为第i块板的面积；Tsi为第i块板的温度。

2.3 对流换热系数

在温度场的计算中，船体结构温度、船体构件与周围流体的对流换热系数和对流空间温度是互相耦合的。在计算对流换热系数时，一般先假设对流换热系数和对流空间温度的初值，根据对流空间热平衡方程及热对流相关理论，综合考量结构温度、对流换热系数和对流空间温度之间的耦合关系，然后迭代求解，得到最终的结果。

一般认为船体内部传热符合大空间自然对流模型。对流换热系数与船体板的温度、几何位置、传热性质和周围流体的特性等因素有关，因此需对船体板进行分类（见图5）。由第1节的分析可知，在围成内层对流空间的壁中，有一类特殊的船体板（即绝热层，见图5中的12～16）。绝热层内外表面的温差极大，不能将厚度方向上的平均温度作为计算其与内层空间对流换热系数的依据。本文将绝热层外表面假设是一块厚度很小的“板”，绝热层的对流换热通过该“板”进行。具体实施时，在大型有限元软件MSC.Patran中采用块单元模拟绝热层，并在绝热层外表面附上一层板单元，读取该层板单元的温度，将其作为计算绝热层与内层空间对流换热系数的依据。

图5 船体板划分示意

在大空间自然对流换热模型中，结构的对流换热系数可通过以下方式计算[10-11]。

1) 垂直板的自然对流换热系数的计算式为

对于与铅垂线的夹角＜60°的倾斜板，也可采用式(2)计算。式(2)中，RaL为瑞利数；Pr为普朗特数。

2) 水平板的自然对流换热系数的计算式为

(1) 热板向上或冷板向下

(2) 热板向下或冷板向上

在求得Nu后，依据式(5)即可求出相应的对流换热系数。

通过这种方式可较为准确地计算内部各构件的对流换热系数，但计算量较大。在分析薄膜型LNG船的温度场时，常用的简化算法是事先根据经验数据预估各构件的对流换热系数，只考虑对流空间温度和船体结构温度的耦合。本文分别采用耦合算法和简化算法进行计算，比较这2种算法在分析SPB型船温度场时的适用性。

2.4 支承构件

根据船舶设计资料，在一个舱段内，支承结构与对流空间内空气的接触面积约为206.34m2，而围成对流空间船体板的面积为13135.68m2，两者的比值约为1.5%，可见支承构件与空气的对流换热量对空间温度的影响非常小。根据实际计算结果，考虑到支承构件对流换热后对流空间温度的变化幅度＜1%，在分析SPB型船的温度场时可忽略支承构件的对流换热效应。

2.5 分析流程

在船体传热模型构建完成之后，按图6给出的温度场分析流程进行温度场的计算。

图6 温度场分析流程

3 船体温度场的计算

本文以大型有限元软件MSC.Nastran和MSC.Patran为平台建立及分析船体有限元模型，利用其控制语言PCL编写计算程序，求解船体结构温度场。

3.1 温度场计算

采用《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》[12]建议的环境工况（见表1），分3种方式确定船体构件对流换热系数（见表2）。

表1 环境工况

表2 船体构件对流换热系数 W/(m2.K)

表2中，方式1和方式2为依据参考文献及经验数据[1,4,11]事先确定的2组对流换热系数。

3.2 结果分析

3种方式的温度场计算结果见图7。

图7 船体结构温度场云图

表3和表4分别给出3种方式下对流空间的温度及典型船体构件的温度。由计算结果可知，船体温度场对构件的对流换热系数十分敏感。

表3 各对流空间温度

表4 典型船体构件温度

方式1和方式2中预估了2组对流换热系数，且所取数值都在钢板与空气对流系数的合理范围内，但从结果上来看两者相差较大，其中，对流空间2的结果相差达到658%，上甲板的结果相差达到226%。方式2的对流系数取值更大，因此其计算结果更接近于环境温度。方式1和方式2在预估内部空气与船体板的对流系数时，认为这些系数是一致的，忽略了船体板几何位置及周边环境等因素的影响，因此预估的对流系数必须能准确反映整体结构的平均对流传热水平，当结构之间的传热特性存在很大差异时，这是很难实现的。这种方法曾被应用到薄膜型LNG船船体温度场的模拟中[1,4]，而SPB型船的内部结构和传热过程更为复杂，船体结构的对流系数差异也更为明显，因此预估对流系数的算法对SPB型船温度场分析的适用性不强。

从方式1、方式2和方式3的结果比较中来看，由于采用的算法不同，得到的结果相差较大，方式3所采用的耦合算法分类计算各船体板的对流换热系数，能更为准确地反映SPB型船的传热特征，因此推荐使用耦合算法分析SPB型船的温度场。

4 结 语

本文研究SPB型LNG船的温度场，针对构建船体传热模型时遇到的问题进行相关研究。结合该型船的结构特点和传热特性做出合理的处理，包括：不采用船体内部空气全流通假设，而是划分出若干个对流空间；通过分析认为：支承构件的热对流效应可忽略，将绝热层外表面视为广义船体板，并在有限元模型中做相应处理。最后通过比较计算结果，推荐采用耦合算法确定船体构件的对流换热系数。研究成果对SPB型LNG船温度场分析具有一定的参考意义。

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Research on the Temperature Field of SPB Type LNG Carrier

MA Chen-zeng1,2，TANG Wen-yong1,2

(1. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration, Shanghai 200240, China)

This paper studies the temperature field of SPB type LNG (Liquefied Natural Gas，LNG) carrier though the unique structural design different from the membrane design makes it difficult to do so. Problems such as the thermal convection effect of special components, the division of inner hull thermal convection space and the calculation method of convective heat transfer coefficient are analyzed and properly treated during the establishment of the hull heat transfer model. The finite element model is established based on the powerful finite element software MSC.Nastran and MSC.Patran, and the hull temperature field is solved by a calculation program written with the control language PCL.

LNG carrier; SPB type liquid tank; convective heat transfer coefficient; convection space; structure temperature field

U661.73；U674.133.3

A

2095-4069 (2017) 05-0028-06

10.14056/j.cnki.naoe.2017.05.005

2016-06-03

马晨增，男，硕士生，1993年生。2015年毕业于上海交通大学船舶与海洋工程系，现主要从事船舶与海洋工程结构力学研究。