郵輪管路系統(tǒng)兩相流流動(dòng)特性仿真分析

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

郵輪在南北極地航行時(shí)，需要穿越惡劣的海域和冰層，除了要保證乘客的舒適度，郵輪動(dòng)力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性更是不可忽略的關(guān)鍵。海水是郵輪運(yùn)行中最容易得到的冷卻介質(zhì)，在動(dòng)力系統(tǒng)做功過(guò)程中，要通過(guò)大排量的離心泵抽取海水經(jīng)海水冷卻管路系統(tǒng)對(duì)郵輪輔機(jī)等設(shè)備進(jìn)行冷卻，以保證設(shè)備不會(huì)過(guò)熱受損。而極地海水中大量的海冰顆粒隨海水進(jìn)入郵輪管路系統(tǒng)中時(shí)會(huì)形成海冰和水的兩相流。當(dāng)前，歐拉-歐拉模型和歐拉-拉格朗日模型是研究?jī)上嗔髁鲃?dòng)特性的常用模型[1-5]。本文結(jié)合實(shí)驗(yàn)和FLUENT仿真來(lái)討論兩相流流經(jīng)水平圓管的入口流速和入口含冰率對(duì)海冰濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響，揭示兩相流入口參數(shù)對(duì)管路內(nèi)兩相流流動(dòng)特性的影響。以期為減少管路冰堵，保證郵輪冷卻管路系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行提供理論參考。

1 數(shù)學(xué)模型

設(shè)定海冰顆粒光滑非彈性，采用Euler-Euler模型[6]，將冰晶顆粒和海水全視為連續(xù)介質(zhì)，通過(guò)建立連續(xù)介質(zhì)的質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒控制方程來(lái)描述兩相流的流動(dòng)特點(diǎn)。

1.1 顆粒動(dòng)力學(xué)理論

顆粒動(dòng)力學(xué)理論中把固體顆粒作為致密氣體分子處理，顆粒-顆粒碰撞引起的固體顆粒運(yùn)動(dòng)被假定為氣體中分子的熱運(yùn)動(dòng)，采用該理論對(duì)Euler-Euler模型的控制方程進(jìn)行封閉，提出顆粒擬溫度來(lái)描述固體顆粒的波動(dòng)能量，其數(shù)學(xué)描述為

(1)

1.2 連續(xù)性方程

使用基于平均體積、不可壓縮流的瞬態(tài)N-S方程描述海水和冰晶。2個(gè)階段的連續(xù)性方程為

(2)

1.3 動(dòng)量守恒方程

液相海水的動(dòng)量守恒方程為

(3)

海冰顆粒的動(dòng)量方程為

(4)

由顆粒流動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)出的固體壓力用ps表示，Pa；τs為冰晶顆粒的應(yīng)力張量。

1.4 能量守恒方程

(5)

2 仿真模型和實(shí)驗(yàn)方案

2.1 仿真模型

根據(jù)GB/T 151—2014中對(duì)熱交換器管道標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，確定水平圓管的外徑為25 mm，管道內(nèi)徑為24 mm，壁厚為1 mm?？紤]到要使兩相流在管道計(jì)算流域內(nèi)達(dá)到充分發(fā)展的狀態(tài)，三維管道模型長(zhǎng)度L與管徑D之間需滿足L≥60D的關(guān)系，設(shè)置管道長(zhǎng)度為2.0 m，利用ICEM建立幾何模型。網(wǎng)格劃分采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為減少計(jì)算時(shí)間又不影響仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，在管道主流區(qū)網(wǎng)格單元設(shè)置相對(duì)稀松，貼近壁面區(qū)域則采用加密網(wǎng)格設(shè)置，用以更加清晰地捕獲海水和海冰顆粒的流動(dòng)特性。見(jiàn)圖1。

圖1 水平圓管三維網(wǎng)格示意

將加載在管道上的熱流密度設(shè)置為恒定值3.34 kW/m2，入口含冰率由4%～30%。具體參數(shù)見(jiàn)表1。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

兩相流流動(dòng)與傳熱綜合實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)由海冰制取與儲(chǔ)存系統(tǒng)、流動(dòng)傳熱實(shí)驗(yàn)測(cè)試段和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中實(shí)驗(yàn)測(cè)試段示意圖見(jiàn)圖2。

表1 海水管道參數(shù)表

在測(cè)試段前端的入口段長(zhǎng)度為1.5 m，可減少前端管道彎頭與入口段對(duì)測(cè)試的影響，以及確保兩相流漿體在進(jìn)入測(cè)試段時(shí)流動(dòng)達(dá)到完全發(fā)展?fàn)顟B(tài)。測(cè)試段長(zhǎng)1.5 m，出口段為0.5 m。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于海冰體積分?jǐn)?shù)難以精確控制，因此將2%～6%、8%～12%、18%～22%、28%～32% 4組含冰率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別記為4%、10%、20%與30%。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試段示意

通過(guò)控制變量法調(diào)節(jié)入口流速和入口含冰率等參數(shù)，在測(cè)試段觀察管道中兩相流非等溫流動(dòng)情況及管道阻塞時(shí)流變與流阻變化規(guī)律。

3 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 入口流速對(duì)海冰濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響

3.1.1 入口流速對(duì)海冰濃度場(chǎng)的影響

入口含冰率為10%的條件下，不同入口流速對(duì)冰晶濃度分布見(jiàn)圖3。

圖3 不同入口流速冰晶濃度分布

實(shí)驗(yàn)觀察到：當(dāng)入口速度設(shè)置為0.5 m/s時(shí)，冰晶基本都懸浮在管道中上部，海水的湍流擴(kuò)散強(qiáng)度較弱，隨著海冰顆粒的不斷堆積，管道上層逐漸形成海冰移動(dòng)床[6]。當(dāng)入口速度從0.5 m/s上調(diào)至3.0 m/s時(shí)，可以看出海冰在管道頂部近壁面區(qū)域的濃度分布呈減少趨勢(shì)，同時(shí)管道內(nèi)壁圓周處的冰晶濃度也出現(xiàn)逐漸減少的現(xiàn)象。對(duì)比圖3a)～f)可知，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果相吻合，并且速度越大這種現(xiàn)象越顯著。

3.1.2 入口流速對(duì)海冰速度場(chǎng)的影響

海冰速度分布見(jiàn)圖4。

圖4 不同入口流速海冰速度分布

當(dāng)入口流速為0.5 m/s和1.0 m/s時(shí)，海冰在管道貼近上壁面部位聚集嚴(yán)重。由速度傳感器測(cè)量結(jié)果可知，上部冰晶的速度小于管道中心軸線的速度，且冰晶的最大速度偏離至管道中心軸線下部。當(dāng)入口速度從1.5 m/s增加到3.0 m/s時(shí)，隨著湍流強(qiáng)度的提升，使得最大速度偏離管道中軸線的偏離量逐漸減小，沿管道圓周呈現(xiàn)近乎對(duì)稱分布的現(xiàn)象。云圖和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，流動(dòng)過(guò)程中的海冰顆粒會(huì)呈現(xiàn)非均勻性分布的特點(diǎn)，使得海冰顆粒的速度沿管道橫截面發(fā)生一定程度的偏轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[7]也報(bào)道了漿體在高入口速度下固相顆粒幾乎呈均勻分布的類似趨勢(shì)。

綜合圖3、4可知，提高管道入口兩相流流速，有利于減弱海冰顆粒懸浮于管路上壁面的趨勢(shì)[8]，減少移動(dòng)床的堆積，促使海水-冰晶兩相流的速度沿管道橫截面呈對(duì)稱分布。

3.2 入口含冰率對(duì)海冰濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)的影響

3.2.1 入口含冰率對(duì)海冰濃度分布的影響

實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到在入口流速一定的情況下，隨著含冰率的增加，海冰在管內(nèi)的分布呈現(xiàn)沿中軸線對(duì)稱的趨勢(shì)，含冰率越大，這種現(xiàn)象越明顯。在入口含冰率達(dá)到30%時(shí)，海冰顆粒在管內(nèi)的分布幾乎呈完全對(duì)稱分布狀態(tài)。由仿真云圖5所得結(jié)果相吻合。

圖5 不同入口含冰率的海冰濃度分布

由于管道內(nèi)徑較小，海冰顆粒與管壁之間的碰撞以及海冰顆粒之間的偶發(fā)性碰撞概率會(huì)隨含冰率的增加而增加，促進(jìn)了海冰顆粒在管內(nèi)的擴(kuò)散；隨著含冰率的增加，由于密度差而導(dǎo)致海冰顆粒懸浮的浮力與重力在垂直管壁方向上達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，浮力的作用減弱。

3.2.2 入口含冰率對(duì)海冰速度場(chǎng)的影響

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由速度傳感器所得到的流速可知，海冰速度的最大值出現(xiàn)在管路中心軸線上方。隨著入口含冰率的增加，海冰沿管道截面速度的不對(duì)稱性分布隨之減小，進(jìn)而呈現(xiàn)出更加對(duì)稱的情況，與仿真結(jié)果一致。由圖6可見(jiàn)，因?yàn)槭艿胶试黾佣鴮?dǎo)致的海冰顆粒數(shù)目增多的影響，使得海冰速度的最大值會(huì)隨含冰率的增加而逐漸減小，對(duì)比圖6c)和d)，可以看出含冰率為20%時(shí)的海冰最大速度高于30%含冰率的海冰速度。

圖6 不同入口含冰率的海冰速度分布

4 結(jié)論

郵輪海水冷卻管路系統(tǒng)冰堵的出現(xiàn)與兩相流入口流速和入口含冰率緊密相關(guān)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和仿真結(jié)果具有高度的一致性。

1)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，海冰移動(dòng)床常見(jiàn)于兩相流入口流速較小時(shí)發(fā)生。表現(xiàn)為管道頂部是移動(dòng)床層，底部是不均勻的流動(dòng)層。在這種情況下，會(huì)導(dǎo)致大量的冰晶顆粒聚集在管道上部，增加冰堵的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)反復(fù)觀察，在10%的含冰率下，出現(xiàn)海冰移動(dòng)床的臨界入口流速為1.0 m/s。

2)郵輪海水冷卻管路系統(tǒng)中海冰移動(dòng)床出現(xiàn)的可能性會(huì)隨入兩相流口含冰率的增加和入口流速的減小而增加。移動(dòng)床的出現(xiàn)還會(huì)導(dǎo)致管內(nèi)流速發(fā)生分層現(xiàn)象，隨著含冰率的增加，兩相流最大流速會(huì)偏離管道中心軸線向下方移動(dòng)，而隨著入口流速的增大，最大速度逐步從中軸線下方回歸到與中軸線相吻合的位置，海冰沿管道圓周呈現(xiàn)近乎對(duì)稱分布。

3)仿真云圖分析與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象對(duì)比表明，歐拉-歐拉模型耦合相間傳質(zhì)模型對(duì)兩相流流動(dòng)特性的分析是可行的。采用該方法模擬研究?jī)上嗔髁鲌?chǎng)變化特點(diǎn)，可減少模型實(shí)驗(yàn)成本，為管路系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論支撐。