独立货舱沥青船温度场分析

仲 琦 黄锦涛

（上海船舶研究设计院，上海 201203）

0 前言

沥青作为一种重要的基础建设材料，其进出口主要依托于船舶运输。沥青运输过程中，需要不断加热，以保持温度在200℃左右，使沥青不凝固。对于船体结构来说，在高温环境下，一方面，钢铁材料的屈服极限将下降很快；另一方面，钢铁材料一般具有热胀冷缩的特性。在受热均匀时，如果自由膨胀，结构产生的热应力较小；当约束膨胀时，热应力会较大。船体结构布置具有纵横交错的特点，纵横交错的船体结构相互约束，会阻碍结构的自由膨胀，可能产生较大的应力。故在沥青船结构设计中，需格外关注温度对船体结构强度的影响，如果设计不当，会带来较大的结构安全隐患。

一般来说，各船级社对船体热应力的计算，都会给出相关规定。通常船体结构超过80℃就要进行热应力计算［1］。现阶段沥青船设计一般采用独立式液货舱，液货舱与船体之间通过隔热垫块接触，船体结构温度不会超过80℃，无需对船体进行热应力计算。但需要进行温度场分析，证明船体结构不会超过80℃。

1 热力学基本原理

热能的传递有三种基本方式：热传导、热对流与热辐射。

1.1 热传导

物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递成为热传导，简称导热。在稳态导热过程中，傅里叶定律的数学表达式见式（1）：

式中：q——单位时间内通过单位面积的热量，W/m2；

λ——导热系数，W/（m·K）；

dt/dx——沿物体内部任意一个方向的温度梯度，K/m

1.2 热对流

热对流是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。工程上对流体流过物体表面时流体与物面间的热量传递过程最为关注，亦称之为对流传热。其基本计算式是牛顿冷却公式：

式中：h——表面传热系数，该系数与对流过程中流体特性、换热表面特征、流速等许多因素有关，W/（m2·K）；

Δt——流体和物面之间的温差，K

1.3 热辐射

蕴含热能的物体通过电磁波传递能量的方式称为热辐射。实际物体辐射热流量的计算可以采用斯忒藩－玻耳兹曼定律的经验修正形式：

式中：ε——物体的发射率，其值总小于1，它与物体的种类及表面状态有关；

A——为辐射面积，m2；

σ——斯忒藩－玻耳兹曼常量，W/（m2·K4）；

T——热力学温度，K

由于船体结构的复杂性，以上三种热能传递方式都有可能占主导地位。通常对舱段进行受热分析时，由于其船体结构形式及绝热材料的布置，主要的热传递方式是热对流和热传导，热辐射对于温度场分布结果影响较小。另外，对于热辐射这类非线性问题，舱段模型网格数量较多，求解耗时很长。所以一般情况下会忽略热辐射的影响。

但是在本文的分析案例中，由于研究对象仅是未包覆绝热材料区域的周边结构，而非整个舱段范围，在裸露区域的附近范围内，热辐射会明显改变周边结构的温度分布。因此，三种传递方式必须都充分考虑。

2 计算模型建立

2.1 研究对象

对于独立式液货舱的沥青船，通常其四周被隔热材料包覆，隔热效果较好。但是对于支撑独立液货舱的垫块、横向限位以及止浮装置（如图1～图2所示），存在一定的裸露区域。这部分裸露的区域与沥青直接接触，往往温度很高，当这类结构向周围辐射大量热量，可能导致船体结构温度升高。

从图1和图2可以看出，止浮装置与横向限位的传热特点相似，均未铺设绝热材料，突出的限位结构与沥青罐接触，温度很高，会向周围结构辐射大量热量。

图1 止浮装置示意图

由于上述两装置情况类似，因此，仅选取止横摇装置所在的底部结构进行分析，主要对垫块和横向限位附近的温度场进行分析。

2.2 建模范围

选取船体底部结构作为分析对象，包括独立货舱的底板及其下端相连的纵向骨材与横向桁材，船体外底板及其上部上相连的肋板与纵向桁材；船宽方向为全宽；船长方向取足够长度，以保证评估区域不受边界条件影响即可，模型中取约一个舱长。

图2 防横摇装置及隔热垫块示意图

2.3 单元选取

对于板材以及独立货罐底板的横向桁材、船底肋板、底纵桁等构件的腹板和面板均采用面单元模拟，对于加强筋等弱构件采用线单元模拟。为较好地描绘出横向限位等结构，网格采用约200 mm×200 mm。有限元模型如图3所示。

2.4 材料属性

本文中计算不涉及力学方面，因此，仅需要设置传热过程中的材料属性。目标船舶采用钢质结构，热传导系数可根据CCS规范中相关规定选取。取值详见表1。

图3 有限元模型

表1 计算参数

2.5 边界条件

传热现象通常是由热传导、热对流以及热辐射三种基本方式构成。本文中的计算亦是如此，从图4～图5可知，对于该区域的热力学边界条件如下［2］：

图4 计算模型边界条件示意图

图5 防横摇装置边界条件示意图

1）沥青对独立式液货舱的热传导；

2）外界环境对船底结构的热传导；

3）船体结构之间的热传导；

4）舱内空气对周围船体结构（未包覆绝缘）的对流作用；

5）液货舱和船底结构之间的辐射作用。

2.6 计算工况

本计算中，环境温度是在外界温度较高的情况下，根据绝热材料厂家提供的散热量和外界环境温度，经由稳态热分析计算得到。表面发射率选取时，考虑到钢材表面情况未知，忽略了灰体材质等因素的影响，取可能达到的最大值；同时忽略垫块局部区域的隔热作用，即将未包覆区域的辐射作用放大。

对流系数、热传导系数等根据CCS规范选取，计算参数如表 1 所示［3］。根据2.5及2.6的描述，模型的边界条件施加情况如表2所示。

表2 模型边界条件

3 结果分析

3.1 整体结果分析

采用MSC.NASTRAN对上述模型进行求解。对整个底部结构温度场结果分析发现：对于独立货舱底部的桁材，靠近沥青的结构温度很高，由于辐射作用，裸露的区域温度约为140℃，比周围货物温度略低，而船体底部结构由于辐射作用的影响，靠近上述区域的构件温度约为71℃，比周围构件要高，但低于80℃；对整个底部结构而言，对流换热和结构间热传导是主要的换热方式。温度场分布结果如图6和图7所示。

图7 温度场计算结果（船体部分）

3.2 细节结果分析

从图8~和图9可以看到，横向限位位置由于受到的辐射面积较大，因此升温较为明显，但也远低于货物温度；而垫块位置温度几乎和周围相同，认为垫块区域的热辐射作用可忽略。进一步分析，两者最主要的不同就是受辐射面积以及辐射角度，敞开式的结构形式可大幅降低辐射带来的影响，并且在设计时，若出现被辐射热量物体包围的结构，应考虑其变形影响，宜适当增加结构装配间隙。

图8 横向限位位置

图9 垫块位置

4 不同环境温度下温度场特性分析

基于上述结果，进一步对横向限位的受热特性进行分析。分析中将环境温度从30℃到80℃每隔5℃作为一个计算工况，其余参数均不变，总共11个计算工况，结果见图10和图11。图10中结构温度是指横向限位结构中的最高温度；图11中升高比例是指结构温度和环境温度的差值与环境温度的比值。

图11 由于辐射导致升温比例

当环境温度将近70℃时，横向限位结构的上表面会达到80℃，并且随着环境温度的升高，热辐射的作用越来越不明显；在30℃时，由热辐射导致的升温成分占70%左右；而当环境温度达到80℃时，热辐射的作用仅占10%。综合来看，只要沥青船的通风设置得当，基本不会出现船体构件温度大于80℃的情况，可认为一般情况下，船体构件并不需要进行热应力计算。

5 结语

本文对独立货舱沥青船的温度场分析方法进行介绍，并采用有限元方法对某型沥青船的船底结构进行了温度场分析，进一步对其未包覆区域受辐射影响的特性进行了分析，总结了规律，希望能为此类船舶的设计提供参考。