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基于FLUENT的严寒地区坞门融冰系统效果分析

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2021-09-07

李峥嵘1,樊雪轲1,潘欣钰2,沈清清2
1同济大学机械与能源工程学院;2中船第九设计研究院工程有限公司

       【摘  要】严寒地区船坞坞门冻结影响生产过程,设计电加热棒融冰装置使坞门与冰层脱离。使用FLUENT软件对电加热棒融冰过程进行数值模拟,以液态水的体积分数判断融冰过程的完成程度,分别研究有无自然对流两种工况下的融冰形状分布、温度分布、液态水中速度分布,分析了自然对流对融冰过程的影响。结果表明,自然对流的存在虽然增加了换热速度,但影响融化发展形状,使得融化范围偏离设定区域,最终导致融化时间的延长,是本次工况下的不利因素,需要采取措施调整设计以实现更快速的融冰过程。

       【关键词】冰融化,自然对流,数值模拟

0 引言

       船坞坞门大多接触海水,在严寒地区,冬季存在部分船坞坞门在海水温度低于冰点时被海冰冻结的情况,影响坞门开闭从而影响工作,因此需要对坞门防冻及融冰进行研究。融冰一般有两种方式:热融化、化学融化。船坞坞门的冰-门脱离问题是一种内融冰问题,为减少装置的复杂性以及投资成本,减轻操作难度,希望使用电加热棒融冰。

       模拟仿真过程对研究设计方法或装置有效性和性能有着极大的帮助,同时也能够根据模拟结果对方法或装置进行优化和调整,以达到更好的运行性能。徐胜辉[1]利用ANSYS软件,通过对化雪融冰装置进行的仿真模拟来了解该装置的性能,并通过模拟结果对装置进行了一定的优化。马剑龙[2]对内融冰式蓄冰管进行了传热性能模拟,反映了自然对流对传热性能的影响。樊玲[3]用焓方法以机翼电除冰为例进行相变导热问题的计算,分析了不同因素对除冰过程的影响。

       本文利用FLUENT模拟在坞门上安装电加热棒融化附近海冰实现冰门脱离的过程,分析其融冰效果及影响因素,得到融化一定范围内的所需时间,对自然对流的影响进行分析。

1 计算模型

       选取长度为4.5m的一根电加热棒为研究对象,计算区域包括海水冻结区、电加热棒和船坞外壁。认为冰层厚(高)600mm,宽300mm,长为6.5m,电加热棒水平放置在槽钢中,槽钢长度与电加热棒相同且两端对齐,左右居中,因此加热棒两端分别有1m冰层。电加热棒与槽钢位于300mm高度(中心高度),钢槽贴附在坞门表面上,钢板内侧的保温材料热工参数按照50mm的岩棉计,长度、高度与冰层相同。融冰范围为指定圆心到未融化冰层距离至少为65mm,圆心位于加热棒中心。电加热棒细节尺寸见图1.


图1 电加热棒竖直方向剖面图

2 计算条件

       各类材料的初始温度、导热系数、密度、定压比热容汇总见表1。认为在整个传热过程中,海冰、海水的导热系数、密度、定压比热容保持不变。每根电加热棒的发热量为12.7 ,认为其发热量均匀稳定。海冰融化温度为0℃,融化热为334 。冰层除与坞门接触的边界外,其他边界均绝热。船坞外壁的最右侧为坞门钢板外壁的内侧,定温壁面,坞门上下及两端边界绝热。

表1 材料初始条件及物性参数

3 融冰模型的建立

       由于几何模型及其边界条件左右对称,为了减少计算量,对模型在水平方向上进行居中切分,仅及建立了一半的几何模型,具体可见图2(a)。此外,对加热棒靠近槽钢处的倒圆角进行了直角简化,见图3(b),以方便网格的划分,认为对整体计算结果影响可忽略。
采用ICEM对模型进行网格划分。为了得到更好质量的网格,对经过简化的几何模型全部采用结构化网格(如图3)。网格质量大部分达0.5以上,满足模拟需求,网格数量共计1,700,854。


图2 使用ICEM建立的几何模型及简化

图3 模型的结构化网格

4 换热理论

       本模拟涉及到流动及传热问题,及模拟过程要遵循三个最基本的守恒定律,即质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律,在流体力学中这三大定律具体体现为连续性方程、动量方程和能量方程[4]。软件的计算也是以此三大方程为基础进行的。在本案例中冰层融化过程中存在以下几种换热情况:通过冰层、水、槽钢的导热过程;冰融化为水的相变过程;水自然对流导致的对流换热过程(考虑自然对流的情况下)。

       以导热为主的相变物质的凝固(融化)问题在传热学上称为Stefan问题,即伴有潜热的移动界面导热问题。Stefan问题中存在固液两相的热物性不同、液相区的自然对流、固相区的过冷等情况,需要进行适当简化。实际冰层融化过程中应该还存在辐射传热过程,因在本案例中辐射传热的存在对融冰速率是有利影响,因此认为可以简化而不考虑此过程。

       根据传热学的定义,本模拟涉及到两类边界条件:第一类边界条件:船坞外壁的最右侧为船坞钢板外壁的内侧,定温壁面,温度为5;第二类边界条件:加热棒的发热量为12.7 ;冰层外部边界为绝热边界;岩棉除了外侧定壁面温度边界,其他外部边界均为绝热边界。

5 FLUENT数值计算

       将建立好的几何模型生成的网格导入FLUENT软件中,对各个边界条件进行设置。本次模拟采用了基于压力求解器(Pressure-Based)PISO分离求解方法瞬态求解,这种方法对于瞬态计算更为适用,且总体效率较高。采用能量模型、凝固和融化模型和层流粘性模型。对于自然对流的流体流动状态,需要根据格拉晓夫数Gr进行判断,格拉晓夫数按照式(1)[5]计算。

           (1)

       式中为重力加速度,为流体体积膨胀系数;为特征长度;为流体温差;为运动粘度。根据式(1)计算得到

       

       由上式可知,在此次模拟中自然对流流体的格拉晓夫数Gr≤109,流体流动状态为层流流动,因此可以使用层流粘性模型。

6 坞门融冰计算结果分析

       本次模拟的要求冰层融化至距离加热棒与坞门壁面接触面的中心线至少65mm。以水的体积分数作为判断标准,认为当水的体积分数为1时,该区域的冰已经完全融化为水;当体积分数0时,该区域冰层尚未开始融化;当体积分数在0~1之间时,该区域为冰水混合物状态。当指定区域水的体积分数恰好达到1时,记录整体过程时间。

       6.1 融冰过程中的水体积分数

       6.1.1 考虑自然对流

       模拟结果经过后处理,如图4。由模拟结果可知,与加热棒及槽钢接触的(特别是与加热棒导热距离较近部分)海冰融化较快,这是由于槽钢的导热系数(52.34)远高于海冰、海水和岩棉。在融冰的初始阶段,海冰融化成海水的体积小,海水自然对流现象并不明显,冰层的融化速度大致上下对称。但随着时间的推移,融冰范围的扩大,海水有了足够的空间进行自然对流,融化区域出现了明显的竖直方向的不对称现象。并且融冰时间越长,由于区域内海水密度的差异增大(在4℃后,海水的密度随着温度的升高而降低),海水的自然对流现象更加强烈,冰层融化区域的不对称情况也越发明显。

       从海水体积分数变化可以看到,加热棒上部及前部冰层融化速度快于下部,是由于海水整体密度随着温度增大而减小,从而产生浮力,自然对流导致流体逆时针方向运动,致使加热棒上部及前部冰层的传热更快。这种融化范围变化趋势与相关研究相符[6].

       随着液态水体积的增加,由于海水的导热系数(0.561 )远小于冰层(2.2 ),加热棒到未融化冰层的热流速度减小,且海水比热容是冰层的两倍,因此较多的热量储存在海水中,而未传递到冰层,使得因此冰层融化速度降低。从融冰开始后第5000秒到16197秒,融化区域的变化并不明显。

       此外,由于融化区域的上下不对称,整体融冰区域上移,因此需要较长时间才能够使得中心线下部的融冰区域到达65mm的所需范围,此时总共需要融化的冰体积已经远超所需范围内的冰体积,增加了融冰所需时间。对于考虑自然对流的融冰过程,融化时间需要16,197秒(即4小时29分57秒);不考虑自然对流则需要5,295秒(即1小时28分15秒),比考虑自然对流工况短10,902秒(即3小时1分42秒)。


图4 考虑自然对流情况下液体体积分数在不同时间下的分布

       6.1.2 不考虑自然对流

       与考虑自然对流的情况相比较,即对比图4和图5可知,在融冰的初始阶段,考虑自然对流与不考虑自然对流的融冰速度差别很小。但当融冰已经进行了一段时间后,自然对流影响趋于显著。在融冰的第200秒时,考虑自然对流的融化区域已经比不考虑自然对流的融冰体积明显大。在融冰的第1000秒时,自然对流对于融冰的影响已经非常明显,二者的融冰体积和范围形状已经有了很大的区别。


图5 不考虑自然对流情况时液体体积分数在不同时间下的分布

       在不考虑自然对流时,融化区域在竖直方向上是对称的。此时,相对于所需的融冰范围,最不利点在水平方向上距离中心线的65处,而不再是最下方。相比于存在自然对流的工况而言,不考虑自然对流时,融化相同体积的冰层所需的时间更长,但是由于其融冰范围在竖直方向上上下对称,不存在融冰区域偏移的情况,满足所需融冰范围的需要时间相比考虑自然对流情况更短。

       6.2 融冰过程中的温度分布

       本融冰模拟的初始温度为271.15K(-2℃)。从图6可知,由于槽钢的导热系数较高,且与加热棒直接接触,加热棒的热量可以较快的传到槽钢内,使其温度相比海冰、海水、岩棉高,最高温度出现在中心位置。相反,由于岩棉的导热系数非常小(0.044 ),加热棒传到岩棉上的热量较少,岩棉外部热量(外部定壁面温度5℃)几乎传不到冰层。


图6 考虑自然对流情况下温度在不同时间下的分布

       在初始阶段,由于自然对流的强度较弱,槽钢与水的传热系数较小,槽钢的热量未能及时传导出去,导致其温度上升加快,仅60秒时间槽钢温度就由-2℃(271.15K)上升至最高约16℃(289.2K)。随着自然对流的增强,槽钢与海水间传热系数增大,槽钢的热量更快地传到海水或海冰,因此槽钢温度上升速度减缓。此外,随着自然对流增强,槽钢及冰层上部温度高于下部。同样由于自然对流的存在,在整个融冰过程中,液态海水的温度均匀,平均温度上升缓慢,最高温度为295.45K(即22.3℃)。

       6.3 融冰过程中的速度分布

       如图7所示,在初始阶段,由于海水较少且温差较低,自然对流基本不存在。随着海水的增多与温差的增大,在加热棒附近最先出现自然对流。大约200秒时,槽钢附近出现了自然对流现象,但在下部该现象很微弱。随着海冰的融化,存在自然对流的区域和流速逐渐增大,但因为海水较大的比热容,使其温差小,从而密度差较小,因此在自然对流区域中其流速也较小,最大仅为0.039 。由于右侧坞门壁面阻挡,海水的自然对流趋势以剖面观察向逆时针方向发展,流动速度也有逆时针方向的循环特征。

       图8展示了两种工况下的融冰速率,由图清晰可见,在融化相同体积(0.032m³)的冰层情况下,考虑自然对流所需时间小于不考虑自然对流情况。自然对流现象促进了水层中的换热,热量更容易到达冰层并传递给冰层作为融化热。但由于自然对流导致区域偏移,考虑自然对流的工况融化到所需范围的时间要更长,因为其花费了更多的时间和热量用于融化偏移部分的冰层。

       然而在真实的融冰过程中,海水由于温度变化导致的密度变化是不可避免的,因此考虑自然对流的模拟过程更为符合实际。自然对流在相变传热过程中影响两相界面、传热速率、总换热时间[7],而忽略此过程则会使模拟与真实情况有较大的偏差。


图7 考虑自然对流情况下速度在不同时间下的分布

图8 考虑与不考虑自然对流两种工况下的融冰速率曲线

7 结论

       本文利用FLUENT软件进行相变、传热和流动模拟,研究特定工况下冰冻坞门解冻装置的作用过程,分别对考虑自然对流和不考虑自然对流作用下的冰融化工况进行分析,得到以下结论:

       1)无自然对流工况下冰层融化的形状和温度呈线性发展,冰层融化区域上下对称;有自然对流工况下,冰层融化形状呈现上部堆积,温度分布均匀。

       2)自然对流加速相变过程,但导致融化区域偏移从而增加融冰时间,在本工况下为不利因素,需要采取措施避免或干扰。

参考文献

       [1] 徐胜辉. 基于ANSYS的化雪融冰装置性能分析及优化[D]. 山东:山东理工大学,2013. 
       [2] 马剑龙. 内融冰式蓄冰管三维传热性能动态模拟[D]. 哈尔滨工业大学, 2007. 
       [3] 樊玲. 结冰融冰过程的数值模拟[D]. 南京航空航天大学, 2005. 
       [4] H K Versteeg, W Malalasekera. An Introduction to COMOUTATIONAL FLUID DYNAMICS-The Finite Volume Method, Second edition[M]. PEARSON Prentice Hall. 1995.
       [5] 杨世铭,陶文铨.传热学[M].第三版.北京:高等教育出版社, 1998.
       [6] 王全福, 王方, 倪珅. 内融冰式蓄冰管融冰性能的数值模拟[J]. 低温建筑技术, 2012, 34(3):125-126.
       [7] 李钧, 周孝清. 数值模拟分析自然对流对管壳式相变蓄热装置熔融过程的影响[J]. 区域供热. 2019, (4): 151-158.

       备注:本文收录于《建筑环境与能源》2021年4月刊 总第42期(第二十届全国暖通空调模拟学术年会论文集)。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。