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l n g 船中封闭腔室对流 系数的研究 摘要 n g ( 液化天然气) 船是一种国际上公认的高技术、高难度、高 附加值的复杂船型。本文赝研究的是一艘1 3 8 0 0 0 趣3 的l n g 船，该船 的热维护系统十分复杂，对其进行温度场分析是一项有意义的工作。 为了准确计算嘏l n g 船的温度场，研究l n g 船封闭腔室对流系数是 极其重要的。 本文对l n g 船体模型进行了简化，分别讨论了l n g 船封闭腔室 内热传导、热对流、热辐射对热量传递的影响程度，从理论上推导出 酚昭船舱中的对流系数关系。 使用a n s y s 有限元程序，采用热分析单元，建立了1 3 8 0 0 0 m 3l n g 船1 4 船舱的三维有限元模型，根据理论公式，用a p d l 语言编制迭 代程序，计算出l ，n g 船在8 种工况下各腔室的对流系数，进而得出 l n g 船的温度场及日蒸发率。 根据本文建立的模型计算得到的日蒸发率与国外实测赘料一致， 证明了计算对流换热的方法是有效的。 通过对l n g 运输船温度场的分析，为我国独立研制或改进l n g 船液货舱热维护系统打下了良好的基础。 关键词：l n g 船、自然对流系数、温度场、舀蒸发率 北京化工大学硕士学位论文 as t u d yo fc o n v e c t l o nc o e f f l c l e n t 王nl n gs h i p sc a v i t y a b s 昀c t 垃越s 也e s i s ，蕊e p 出跏s s i o nw 豁m 妇o nm et e n l p 嘲t u r e 曩e l do ft h eh 嘲 m 曲淝n a n c es y s t c ma1 3 8 0 0 0m 3o fl k g ( 1 i q u e 蠡e dn 缀髓lg a s ) s h i p ，w 吐c hi s f e c o g 蘸z e 4a sa 妯n do fc o m p l e xs 撼pw i 由h i 酶t e c h ，h i 蜘出越c 涨y 锄dh i 曲a p p e n d e d v 破u c i no 撼e rt oc o m p u 钯a c c u 讹i y 也et e m p e r a t 氍ef i e l do fu 呵gs h i 岛也ew o f k & s e r i t ) e di n 也i sp a p e ri sv e r y 址l p o r 协n ta 耐m e a n i n g 黼t h em a i nc o n 证b u 廿o n so f m i s t h e s i sa r ea sf o l l o w s ： i nt l i sm e s i s ，国e 王，n gs h i pm o d e lw a ss i m p l i f i c d t h eh c a tc o n d u c t ，h c a t c o n v e c t i o n ，h e a tr a d i a t i o n si n n u e n c eo nt h el n gs h 主p sc a 、，i _ 【) w e r e d i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y f u 加e 肋o r e ，t l l e 愤l e o r e t i c a lc o n v e c t i o nf o h n u i a 0 ft 1 1 el n g s h i p sc a v 酊 w a so b t a i n e d at l e e d i m e n s i o n a lf i l l i t ee l e m e n tm o d e lf o rt h e1 3 8 ，0 0 0h 1 30 n gc a r r i e r 删 b u i l t b y 印p l y i n gt | l e n n a le l e m e mo fa n s y sc o d e t h ei t e r a t i v ea l 酬t h m su s i n g t h e a p d ll a l l g u a g ew a sd r a 啪u pa c c o r d i n gt ot h et h e o r i e sf b 咖u l a t h ec o n v e c t i o n c o e 街c i e n ti nl n g s h i p sc “i t ya r cc a l c u l 8 t e du n d e re i g h tk i n d so f l o a dc a s e s ，t h e nm e t e m p e 倒h l r e 磊e l do fl n gs h i pa n db o r ( b o i lo 霞r 敷e ) h a v eb c e na l s op e f f 咖l e d 。 a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，m ec a l c u l a t i n gr e 锄l t so f b o r c o i n c i d ew i m e x p e r i n l e n t a l d a t ef 吣ma b r o a d ns h o w e dt h a tt h em e t h o do fc a l c u la t i n gc o n v e c t i o nc o e 掰i c i e mi s c o r r e c t b ya n a l y z i n gl n gs h i p st c m p e r a f w e 矗e l d ，i t 晰l l l a yag o o df o u n d a t i o nf o ro u r c o u n t r yt od e v e l o pa n di m p r o v e 【n gs h i p sh e a tm a i n t e n a n c es y s t e mi n d e p e n d e n t l y k e yw o r d s ：i 。n gs h i p ，c o n v e c t i o nc o e f 五c i e n t ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，b o r 符号说明 薅积m 2 比热， j ( k g k ) 热容矩阵 横藏面积m 2 格拉浇失数 重力加速度，m 序 对流系数，w m 2k ) 辐射换热系数，w ( m 2k ) 导热系数，w ，( m k ) 热传导矩阵 特征长度，m 组合参数 努塞尔数 压力 普朗特数 换热量，辐射能，w 热流密度，w m 2 擎位长度上的传热速率，w m 瑞利数 雷诺数 温度，k 时间，s 周长，m 体积、容积，一 托熟容，m 弧g 直角坐标。m 热扩散率。m 2 ，s 体积膨胀系数，1 ，k 发射率 肋片效率 黏度k 欧s m ) 运动黏度，m 饥 密度，k g ，m 3 斯蒂芬一波尔兹曼常数 蒸发潜热- ( w ) ，姆 过余温度，k 辐射换热量，w 辐射角系数 表露秋，m 2 z a c c f m g h咄k k l mp阶q鼋矿融黔t。u v v砒g占u p口，口庐x r 北京化工大学位论文原创性声明 上 8 8 2 0 毒8 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取锝的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 乍晶成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：2 叠整日期：翌! ! ：! ：! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保密和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校胃以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在土年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名：凰墅 导师签名：垄坠 日期：一三竺f 丛 醋期：幽：垒：呈 北京化工大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源予中国船级社，通过对l n g ( 液化天然气) 船中的封闭腔室对流 系数的研究，计算n g 运输船的温度场及目蒸发率，课题其有实际的工程背景。 1 。2 有关研究领域的现状 传热现象无对无刻不在，它的影响几乎遍及所有正业部门，也渗透到农业、 林业等许多技术部门。不仅在传统领域，像能源动力、冶金、化工、交通、建筑 材料、机械、食品、轻工、纺织等用到许多传热学的有关知识，而且诸如航空航 天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境= 亡程、新能源等很多商科技领域 也都在不同程度上依赖于应用传热研究的最新成果。在某些环节上，传热技术及 相关材料设备的研制开发甚至成为按个系统成败的关键因索“。 2 1 计算传热学的研究现状 计算传热学豹研究己走过半个多擞纪，1 9 7 0 年前以差分法的研究为主8 3 ；此 后随着p a t a n k 雒和s p a l d i n g 教授以控制容积法为基础开发出s i m p l e 算法程序 ”“，控制容积法的研究成为热点，而后不断发展改进形成了s i m p l e r ， s i m p l e c ，s i m p l e s 下等算法。当今国际上最为流行的商业c f d 软件，如p h o e n i c s 、 f l u e n t 、f l o w3 d 、a n s y sf l o t r a n 、c f x 等中的核心算法都是以此为基础的。 此外还有i s s a 提出的噩力隐式分裂方法( p i s o ) 和求解自然对流问题的c l e s 算 法( 不可压流场) ”。 在实际传热问题中，往往是多种传热方式与其他过程( 如传质) 同时进行的 复杂( 耦台) 过程，它涉及到多个变量或是不同传热方式之间的相互影响，比较 复杂。用数值法求解这类耦台问题，常用整体求解法，即把不同区域中的热传递 过程组合起来，作为一个统一的换热过程进行求解。对于复杂结构整体法的缺点 是建模工作量大，收敛较慢( 复杂问题可能不收敛) ，姜培学在用p h o e n i c s 求解 北京北 ：= 大学硕士学位论文 有内热源的非稳态导热与对流及辐射换热的耦合问题时，发展了“虚拟密度法”， 使褥求解收敛”。第二种方法是分区求解、边界襁合法，对于复杂结构本方法优 点是省去了流体部分的建模过程，易于在通用骞限元程序上实现，缺点是收敛慢， 计算时间长，而且需要获得流一固相界面上的对漉系数“”。 1 2 2 封闭方腔内对流系数的研究现状 对流换热是发生在流体和与之接触的固体壁面之间的热量传递过程，是宏观 的热对流与微或的热传导的综合传热过程。由于涉及流体的运动使热量的传递过 程交褥较为复杂，分析处理较为阑难瓣。 可用予解决实两；对流换热问题的方法主要有以下几种： 1 解析方法：通过建立物理一数学模型。得出问题的微分方程( 组) 和相应 的边界条件，并运用数学分析手段进行求解，包括精确解和近似解法。解析法能 比较透彻璁揭示各主要因素与表面换热系数间的内在联系以及影响程度的大小， 有助于撼高对流换热现象物理本质的理解。 2 实验方法：对流换热问题的多样性和复杂性决定了够求解分析解的闻题 种类非常有限，所以实验至今仍是研究各秘对漉换热工程闻题不可缺少的基本手 段。即使是其他方法可以求解的闯题，也往往霈要实验予以验证。对流换热的实 验研究方法应该在棚似原理藏基纲分车厅理论的指导下进行。 3 。类比方法：利用流体、瀛动中动量传递和热量传递具有十分相似机理的特点， 可以建立两者参数之闽的数量联系并从中求得对流换热的表露换热系数，这种方 法叫做类比方法。它是解决i | l ； 滚问题的有效方法之一。 4 ，数傻方法；用数值计算方法求解对流换热微分方程组是近二三十年来随着 毒 算机应用的日盏普及和水平提高出现的一种手段。目前对流换热的数值计算方 法已经能够在定性上充分把握流场的特点，但在定量准确性上还有待改进。尽管 如此，数值计算方法能够对对流换热避程的特征和主要参数的变化趋势作出预测， 对指导工程设计仍具有重大价值。 国内外对于封闭方腔内对流系数的研究有很多，s p a r r o w 等对二维封闭方腔 内的瘩然对漳进幸予了数镰模拟“”。o “；o s t r a c h 等对复杂的封闭方腔问题进行了 很好的综述”“。哈尔滨工业大学魏英杰、何钟愉应用二阶全偎开e t 0 有限元方法 离散求解n s 方程耥能量方程，并以零初值方腔自然时流问题为例进行了数值模 北京化工大学硕士学位论文 拟，计算了不同瑞利数条件下方腔自然对流豹流场和温度场，较好地反映了流场和 温度场的时间演化过程“；西安交通大学的徐明海、王秋旺研究了封闭方腔中有 多块孤立平板的自然对漉系数，着重分橱了板与腔体尺寸对板散热的影响“”；溥 华大学的李娜、过增元用数值模拟的方法研究了不同尺度( 瑞利数r 丑_ l 1 0 8 ) 下 方腔自然对流中惯性力与糙性力之比，并研究了封闭空阅内小尺度等混竖板自然 对流的三维效应“颐”；华中科技大学的李光正等对封闭腔内自然对流进行了不同 瑞利数( r a ) 条馋下数值试验，将非定常流函数涡量方程的数傻求解方法推广至非 等躐网格剖分，速度项采用二阶疆度公式，包含温度在虎的离数方程缎采用a d l 迭代方法求得定常辩n 8 ”。 1 2 2 【n g 船的研究现状 自从1 9 5 7 年世界上建成第一艘实验性的l n g 运输船“甲烷先锋号”以来，目 前已有超过1 0 0 艘l n g 运输船正在营运。这些l n g 运输船主要分为两大类，即 m o s s 型和薄膜型，如图l l ，l 2 j 开示。 ( 圈1 1 ) ( 图l 一2 ) 西欧、日本早在上世纪6 0 年代束对l n g 运输船( 主要是m o s s 型) 的各项 技术进行了大量的研究，韩国从1 9 9 0 开始对l n g 运输船( 主要是薄膜式) 进行 研究。目煎，国际上l n g 运输船的各项技术已相当完善，但是由于受当融计算 分析手段的嫩制，绝大多数研究成果是通过试验获得的。如船体结构和液货舱的 温度分砖i 情况由法国g t t 公司进行模型试验获得。 在三十多年l n g 运输船营运历史过程中，总运送超过2 3 0 0 0 黼次，交运货 物7 7 0 0 0 万吨，运输量达1 9 1 2 6 亿吨海里。从未发生任何有危害性的事故，在安 全航行和可靠性方两创造了令人信服的记录。也正因为这个原因，从上个世纪八 北京化工大学硬士学位论文 十年代至今，国际上在l n g 运输船技术研究方面没有明显的进展。我国，至今 还没有独立设计和建造过l n g 运输船，对l n g 运输船的技术研究也很少1 ”。 1 3 论文选飚的目的和意义 随着我圈经济的快速发展，对能源的爨求越来越高，改饕能源结构，保护环 境，提高能源利朋率已追在眉睫。天然气作为一种清洁、高效、廉价的能源，已 成为我国2 l 世纪开发利用的重点舅标。 l n g 船是运输滚化天然气的船舶，它的液货温度为一1 6 2 的液化天然气，所 以对n g 船魇使用的保温材料、制冷设盔和建造工艺等要求相当高。l n g 船在 运行孵，货舱内豹l n g 湿废_ 秘外界的漫差可达到2 0 0 以上，因此货舱热平衡状 态是 s 常不稳定的。输送过程中簧控制l n g 的日 蒸发率小于o 1 5 “”，首要解决 的阀题是研究液货舱的换热规律，一艘典型的e j n g 船的液货舱一般是由1 3 个封 闭黢式构成的，如图l 一3 所示，为了得啦l n g 船的抉热规律，准确计算出各个 封闭腔室的对流系数是十分必要的。本文通过对一艘1 3 8 0 0 0 r f 薄膜式l n g 船的 滚货舱湿度场分布的研究，将为我国独立研制或改进l n g 船打下良好的基础。 ( 图卜一3 ) j t 京化工大举硕士学位论文 t 。4 本课题的主要研究内容和技术路线 1 4 1 研究的景体内容 根据热效率对l n g 船封闭腔室内的加强材进行僚化； 根据经验公式采用迭代法确定n j g 船封闭腔室的是然对流系数； 计算1 3 8 0 0 0 m 3 薄膜式烈g 船的温度场及日蒸发率，并和实际测量数据相比 较。 1 4 2 论文的技术路线 1 具体的过程采用a n s y s 软件进行计算，用a p d l 语言编锖4 通用的宏文件， 进行迭代求解。 2 整个船舱结构极其复杂，为减少建模的工作量，对船舱模型进行了大量豹 简化，其中包括对舱室豹篦化、几种加强材豹简化、多层屏蔽的处理等，并在理 论上 正明了其简化的合理性。 3 分别计算出薄膜式烈g 船在8 种工况下的温度场及匿蒸发率，并与韩国 实隧敞行的实测湿度值及日蒸发率进行对比，验证上述迭代算法的可行性。 北京化工丈学硕士学位论文 第二章传热学理论基础 传热学是研究热量传递规律的科学。传热学分析各种具体的传热过獠是如俺 进行的，探求工程及自然现象中热薰传递过程的物理本质，描示各种热现象的传 输机理，建立能量输运过程的数学模型，分析计算传热系统的温度和热流水平， 揭示热量传递的具体规律。 基于热力学的定义，热是一种传递中的能璧。传递中的能薰不外乎是处于无 序状态的热和有序状态的功，他们的传递过程常常发生在能量系统处于不平衡的 状态下，丽系统的状态是可以丽其状态参数来确定的。热力学的基本状态参数是 压力d 、温度t 以及容积v 。对于个不可压缩的热力学系统而富，温度的高低 反映了系统能量状态的高低和单位质爨系统内热能( 或称热力学能，简称内能) 的多少。热力学第二定律提出，能照总是自发地从高能级状态向低能级状态传递 和迁移。因此，热的传递和迁移就会发生在热系统的高内能区域和低内能区域之 间，也就是高温区域和低温区域之间。对于自然界的物体和系统，梅其视为热力 学系统时，他们常常是处于不平衡的能量状态之下，各部位存在着压力差和温度 差，因而功和热的传递是一种非常普遍的自然现象。因此，凡是有温度差的地方 就有热量传递。 自然界存在三种基本的热量传递方式：热传导、热对流、热辐射。在各种不 周的场合下，这三种方式可能单独存在，也可能产生不同的组合形式。 2 1 热传导 l 。定义及特征 当物体内部存在温度差( 也就是物体内部能量分布不均匀) 时，在物体内部 没有宏观位移的情况下，热量会从物体的高温部分传到低温部分；此外，不同温 度的物体互相接触时，热鬟也会在相互没有物质转移的情况下，从高温物体传递 到低温物体。这样种热量传递的方式被称为热传导或简称为导热。 导热过程的特点有两个：( 1 ) 导热过程总是发生在两个互相接触的物体之间 或同一物体中温度不同的两部分之间；( 2 ) 导热遥程中物体各部分之间不发生宏 她京让王大学壤土学位论文 观魏辐对袋移。 2 导热极理 在导热避稷中，镪体备部分之瓣不发生宏滟诬移，从物潢静徽蕊结构对导熬 过程翔馘描述与计算比较复杂。扶微鼹惫度囊，气体、液体、导电固体靼棼导愈 辫体麴导热搬瑗是不藏鹈。 气体率，导热楚气体分子不耀弼熟逡韵襁嚣磁攮豹维果。众掰网知，气体戆 瀑痰越毫，分予豹运动动能越大，不同能量出乎的分予棚互碰撞的结果，使能蠢 从高温处传淘低澄处。 导电露体率霄翱当多驰是由电子，宅 f 】在最格之阈像气体分予那样运动，自 由电予的运动在导电固体的导熟中起主要律用。 菲导电瀚体牵，导热灌过晶格结构豹搬动， 靛振动寒寰瓒。 液休的普热梳瑕十分复杂，有待子进一步熊 蓦舞究。 3 傅立时公式 黠子母热这种热漫传递瓣方式豹磷突可爨 遗溯到1 9 世纪初期毕欧翠期的研究工作。纯程对 大鬣的乎板罾热粪验( 弼稽2 l 新示) 髂数据分 掇中缮出甄下麴结论： 靼黥子、分子在其平筏搜鬟附j 琏 q a 筵2 一i 通过秃舔失平扳 通过垂直于平板方向上的热流爨正院子平板两铡静温度差稻早袄舔积抟大 小，聪爱比予乎凝鼢厚度。魉纳热下数学关系： 口：娴丝( 2 1 ) 。 敏 式中，q 为单位时间换热量，单位楚w ；a 为导热黼积，单位是m 2 ；罩t 。更 为大平板两表面之间箭温差，犟位蔻e c ( 或k ) ；k 为稽皮韵跪倒系数，称必平 教材料的导热系数，愚袭示物体导热链力豹大小韵物理羹，单位莛瑾掰 ”c ) 。上 式亦莓表示为翔下形式， 掣= 女互， ( 2 2 ) 式中辞为单位嚣辍热流，又稼热滚密瘦，单位燕炒燃2 。 北京化工大学硕士学位论文 1 8 2 2 年，法国数学家傅立时将毕欧的热传导关系归纳为 甜：一j 塑( 2 3 )甜= 一膏 ( z 一3 ) 锄 此式称为傅立叶定律，式中，a 州锄为懑度梯度，受号表示热流密度的方向 与温度梯度的方向相反。即热量传递的方向与温度升高的方向相反。当温度r 沿z 方向增加时，羽1 ，出 o ，鼋 0 ，说明热量沿x 减小的方向传递( 图2 2 ) ；反 之，船出 o ，g 弓， 人为约定r 取正值；矗是一个定义的系数，称为对流系数或表面传热系数，单位 为矽，( m 2 - 置) 它是一个反映对流换热过程强弱的物理量。 由于对流换热是一个复杂的热量交换过程，影响因素很多，如：弓i 起流动的原 因( 自然或强追滚动) ：漉体流动酶状态( 屡流或紊流) ：流体的物理性质( 密度、 比热等) ：漉体的相交( 沸腾或冷凝) 换热边界的几何因素( 形状、大小及相对 位置等) 。显然，单凭牛顿冷却定律是不可能描述或反映这些复杂因素对换热过程 的影响，瓶只是把这些因索鄹集中到对流系数h 之中。因此，针对各种对流换热 同题求解对流系数h 则是分析和研究对流换热问题的主要任务。 就换热方式而言，自然对流系数最小( 空气为卜1 0 形( m 2 k ) ，水为2 0 0 一1 0 0 0 缈( 蜥2 篇) ，有相交时最大1 0 3 一l0 4 矽“m 2 - ) 量级) ，强追对流居中。就介质而言， 水比空气强烈。 在自然对流系统中，运动是由作用在流体上的浮羚力所顽引起的，丽于 浮力 的产生又是因为在换热颈附近由于加热而使得流体密度城小的缘故。按照空阀大 小来分，自然对流换热可分为大空间自然对滤和封闭空间自然对流。“。 2 2 1 大空间自然对流 大空间的自然对流，在热( 或冷) 表面的周围不存在其它阻礴自然对流运动 的物体。自然对流一般准羽式： = ，( 磁口m ，f ，b 芦，c 。女) ( 2 5 ) 式中b ，c 。体瓒了物性影响；，是反映物体几何特点的影响；昭趾则表示 发生自由流动的原因一浮力的影响。 格拉晓夫数乘以普朗特数称为瑞利数： 五口，：g ，p r ：嫂；叠堡。竺：丝! 至二垦! u 口u口 ( 2 _ 6 ) 其中， ：体积膨胀系数l 足 北京化工大学硕士学位论文 u ：运动黏度m 2 ，s 盯：热扩散率卅2 ，s 瑶：板表面温度鬈 疋：流体温度罡 五：特征长度m n l l s s e l t 数： 胁：华。r 口：一 彤 其中，七：导热系数，( 掰t 七) 1 羲壹板自然对流 c h u r c i l i n 和c h u 提出了使用于全领域的矗吼的实验式： 砜邓慰s + 蒜薪，2 其中，如果在r 吼 1 0 9 的范阑之内，就可以得出更准确的值： 砜= o 6 s + 蒜豁 因此，垂壹板的自然对流系数万可由下式得出 万：丝d ( 2 7 ) 2 水平板自然对流 一般来说，水平板的对流现象是由于赢遗扳在下和低瀑板在上两产生密度差， 从丽又产生浮力引起的。采用恒壁温的实验公式： 加热板的上西或冷却扳的下瑶： 贰t ll = q 5 4 r n i 攀 蕊l = o 1 5 勘 加热板的下面或冷却板的上面 ( 1 0 4 r 口 蔓1 0 7 ) ( 2 1 1 ) ( 1 07 黝 1 0 1 ) ( 2 一1 2 ) 北京他工大学硕士学位论文 j = o 2 7 震口l 1 7 4 ( 1 0 5s r 搿1 0 仲) ( 2 一1 3 ) 式中特征尺寸取平板表面积与周长之比。 3 倾斜平板自然对流 矗口，：曼! ! 型互= 墨! 熊( k 1 4 ) 。 d 搿 当与锻垂线的交角小于6 0 度，对冷板上表面或热板下表面，可以用垂直板自 然对流的c h u r c l l i l l 和c h u 公式。 式中g 为重力加速度，为体膨胀系数，l 一瓦为温差，p 为流体密度，声为 黏度，伊为平板与铅垂丽的夹角。 2 2 2 封闭空间自然对流 封闭空间自然对流，如图给出几种封闭空间的示意图： 盈2 4 从图2 4 中诳以看出，在两壁面存在温度差时流体就会产生自然对流，但是 由于受到壁面空间的隈制，而形成环状流动。这样一种自然对流情况也会显著地 影响壁面之间的换热。在受限空间中流体的流动和换热与两壁面温差的大小、两 壁猫的相对位置、形状大小、放筲方式以及流体物性等因素密切相关。作为工程 应用，下面给出几种受限空间自然对流换热计算的准则关系式。 1 竖夹层 为了计算竖夹层自然对流换热，定义：换热计算公式为譬= 弁( 瓦。一f ，：) ，式中 瓦，瓦：分剐为两壁面的温度；格拉晓夫数西= g ( 瓦，一瓦，：) 矿p 2 ，式中6 为夹层 北京化工大学硕士学位论文 宽度，地数中的特征尺寸也取6 ；竖夹层熹度为三。那么，对于恒壁湿条件下空 气在竖必层的准则关系式为： 当g ， 2 o 肘舰= l ； ( 2 一1 5 ) 当6 1 0 4 g r 2 1 0 5 时砌_ 0 1 8 舒k ( 广； ( 2 一1 6 ) 当2 。l o s 3 2 1 0 5 时= o 0 6 l ( g rp r ) “3 。 ( 2 2 0 ) 公式中准则的定性澡度为咒= ( 瓦；+ 嚣：) 2 。 ( 2 2 1 ) 2 ，3 热辐射 热辐射是热量传递的基本方式之一。与热传导和热对流不同，热辐射是通过 电磁波( 或光予流) 的方式传播能魔的过程，它不需要物体之间的直接接触，也 不需要任何中间介质。当两个物体被真空隔开时，导热和对流均不会发生，只有 热辐射；热辐射的另一个特点是：它不仅产生能量的转移，丽量还伴随着能薰的 转换。即发射时从热能转化为辐射能，吸收时又从辐射能转化为热能。 一个理想的辐射和设收能鬟的物体被称为黑体。黑体的辐射和吸收本领在同 温度物体中是最大的。黑体向周围空间发射出去的辐射能由下式给出 q = 4 仃r 4 ， ( 2 2 2 ) 式中，q 为黑体发射的辐射能；爿为物体的辐射表面积，丁为绝对温度；仃为 斯蒂芬一玻尔兹曼常数，其值为5 6 7 1 0 “矽，m 2 4 。 上式称为斯蒂芬玻尔兹曼定德，它是从热力学理论导出并由实验证实的黑体 辗射规律，又称为辐射四次方定律，是计算热辐射的基础。一切实际物体的辐射 能力都小于同湿度下黑体的辗射能力。实际物体发射灼辐射能可以用辐射四次方 北京化工大学硬士学位论文 定律的经验修正来计算 q = 捌甜4 ( 2 2 3 ) 式中，f 为该物体的发射率( 又称黑度) ，其值小于1 。一个物体的发射率与 物体的温度、种类及表面状态有关。物体的s 值 ， 1 i 越大，则表明它越接近理想的黑体。f 矗r 一 自然界中的所有物体都在不断的向周围空：。一 1 z 间发射辐射能，与此同时，又在不颐地吸收来 雕2 5 两平行黑平般同的辐射抉热 自周围空间其它物体的辐射能，两者之间的蓑 就是物体之间豹辐射换热量。物体表西之间以辐射方式进行的热交换过程称之为 辐射换热。对于甄个相距很近的黑体表露，由予一个表露发射出来的能量几乎完 全落到另一个表面上，那么它们之间的辐射换热曩必 q = a 盯( 夏4 一譬) 。 ( 2 吧4 ) 当五= e 珏寸，也就是物体和周围环境处于热平缀时，辐射换热量等于零。但北 时是动态平衡，辐射和吸收仍在不断进行。此时物体的温度保持不变。 2 。4 传热过程与热阻 实际工程中所遇到的许多实际热交换过程常常 是热介质将热量传给换热面，然后由换热面传给冷介 旗。这种热量由热流体通过问壁传给冷流体的过程称 为传热过程。传热过程中由热流体传给冷流体的热量 通常表示为： q = 刈r ( 2 2 5 ) 对滚 c = 图2 6 墙壁传热图 式中， r 为热流体与冷流体间的平均温差；为导热系数， k ) 。在 数值上，传热系数等于冷、热流体间温差7 = 1 k ，传热面积4 = l 卅时的热流量 值，是个表征传热过程强烈程度的物理量。传热过程越强，传热系数越大，反 之则越弱。 以如图2 6 艇示的壤壁为例：屋内热空气的热量通过墙壁和保温层传递给屋 北京化工大学硕士学位论文 外冷空气，这个过程就属于传热过程。藿屋内空气温度为0 。，屋外豹空气温度为 t ：，传热温差r = 一乃：。若屋内对流和辐射总换热系数为啊，屋外侧的对滤 系数为，墙壁、保温层的厚度分别为点和玩，墙壁、保温层的导热系数分别为 七1 和：。 从热流体0 ，到瓦，： q = j i | i ( 弓，一瓦一) 则弓，一。- = 罴 列瓦： l 。到冷流体： 相加整理得： q = 爿毛( 一乙：) 4 则瓦，一瓦：= 斋 点 q = 4 如( 巧：，) ，破则咒：一咒，= 曩 破 q 刊岛( 一黝则一= 差 q = 丁 哗卜t = 竿。 ( 2 删) + 一+ k + 4 啊 一；4 如4 如 爿i 将( 2 2 6 ) 式表示成热阻的形式，有 q =_ 些：堡 ( 2 2 7 ) 焉+ 总+ 墨+ 咒e 式中，r f ( j = l ，2 ，3 ，4 ) 为传热过程的各个分热阻，x ，桫，m 为传热过 程的总热阻。式( 2 2 7 ) 桷当于电学中的欧姆定律( 电流= 电压电阻：j = u ，r ) 。 且式中总热阻和分热阻的关系也具有电学中串联电路的电阻叠加特性：总电阻等 北京化工大学硕士学位论文 于备串联分电阻之和。 童+ 的比拟 导热现象的比拟( 流量= 动力阻力) ( 图2 7 ) 热阻是传热学的基本概念之一。用热阻的概念分析各种传热现象，不仅可使 问题的物理概念更加清晰，顽且推导和计算也来得筒便。对于某一传热闷题，如 果要增强传热，就应设法减少腰有热阻中最大的那个热隧；若要减弱传热，就应 该加大所有热阻中最小的那个热阻，或者再增加额外的热阻，即增加保温层。 北京化工大学颈士学位论文 3 1 模型的范围 舱。 第三章计算模型的简化 如图2 一l 所示，艘典型的l n g 运输船( 1 3 8 0 0 0 m 3 ) 分为4 个独立的液货 圈3 一l 1 3 8 0 0 0m 3 的l n g 运输船的主尺度： 总长( ) ： 2 7 7 。o om 型宽( d ) ： 4 3 4 0m 型深( d ) ： 2 6 0 0m 设计吃水( 。) ： l i 3 0m 结构吃水( 氐。，) ： 1 2 o om 方形系数( c ) ： o 7 4 6 船舶的几何尺寸是根据下列正向坐标系统( 见图3 2 ) 来定义的。” 原点：船舶对称纵剖面、船长尾端和基线的相交处； x 轴：纵轴，向前为正； y 轴：横轴，向左为正； z 轴：垂直轴，向上为正。 北京化工大学硕士学位论文 ， 圈3 q 如图3 3 ，由于对称性，我们取中间舱第3 舱的l 4 作为研究对象。这样， 在x = o 的舱壁上，取对流边界条件( l n g 的温度一1 6 2 。c ) ，x _ l ( 舱长的一半) 的端面及y = o 的端面，由于对称性取为绝热边界条件。 3 2 多层平壁的简化 图3 3 由不同材料的平板组成的壁厦称为多层壁。 多层壁的导热分析是通过对每一层的导热分析顽彳导到其相应的温度分布的。 对于导热系数为常数的多层壁，其温度分布应为一条折 线。图3 4 显示个三层壁导热问题。 在稳态情况下由热流平衡驻则可知，通过多层壁的热 流密度亦为通过每层的热流密度，即 9 = 移= 移= 移 限。， k 。kk 、 由和分比关系，上式可以写为 t l q 图3 4 邋过多层壁的导热 北京化工大学硕士学位论文 五一疋 护巧弦该 ( 3 - 2 ) 这里应该注意到，多层壁导热公式，是假定了两层壁霭之间是保持了良好的 接触，要求层间保持间一温度。蕊在工程实际中这个假定并不存在，因为任何固 体表面之间的接触郝不霹能是紧密的。在这种馕况下，两壁瑙之悯只有接触的地 方才直接导热，在不接触处存在空隙，热量是邋过充满空隙的流体的导热、对流 和辐射的方式传递的，鼹糕存在传热阻力，称为接触热阻。有时接触热阻远大于 导热热阻，这是因为空隙中填充着不流动的空气，丙空气的导热性能又远低于筒 体的原故。接触热阻是普遍存在的，往往采用一些安际测定的经验数据。通常， 对予导热系数较小的多层壁导热问题接触热阻多不予考虑：僚是对于金属材料之 间的接触热阻就是不容忽视的阀题。 n g 船体的内壳板、鼹层扑a r 膜和两层木箱构成热维护层，如图3 5 所示 图3 5 由于亵层本箱的导热系数较小，可以忽硌各层隔热材料箱之间产生的接触热 阻；内外两个表面分别与l n g 和空气接触，可以认为分别与两种温度均匀、表 面传热系数为常数的流体进行对流换热。热量传递以垂直于多层屏蔽的方向为主， 于是多层壁面的的导热可以近似为一维问题，即沿着垂直壁面的方向传热。 在计锋过程中，本箱与i n 瓜膜弹度相差很大，而总体厚度又与板匾的尺 寸相差很大，若将六层平壁分别建成实体单元，则划分有限元网格时不能保证网 格质量，因此，将六层平壁简化为一层实体，根据热量守恒，由公式( 3 2 ) 可 得出导热系数： 北京化工大学硕士学位论文 式中：艿：各层的厚度； 七，：器层的导热系数； 根据表3 一l 的数据，计算得实体的厚度为o 5 6 lm ，导热系数为o 0 4 2 3 妒( 聊肖) o 表3 一l 各层的物理特性： 屡 名称厚度( i i l m )导热系数彤，( m k ) li n v a r 膜o 74 8 1 2 本麓l 2 3 0o 0 4 2 3 烈、，a r 膜 o 7 4 8 4 本箱2 3 0 0o 0 4 0 5 树脂 1 00 3 0 2 3 6 船体内壳板1 6 2 24 8 3 。2 舱室的简化 l n g 运输船l ，4 液货舱由1 3 个舱室构成，液货舱内部与液化天然气对滤换 热，外部水线以下与海水对流换热，水线以上和空气对流换热，并受到太阳的辐 射，1 3 个舱室内部璧面与空气自然对流换热，内外壳间辐尉换热，边界条件十分 复杂，因此，计算过程中对舱室要进行简化，考虑到船舶水密结构豹位置，将1 3 个边舱简化为5 个：双层底( c o m p l ) ，底边舱( c o m p 2 ) ，边舱( c o m p 3 ) ，项 边舱( c o m p 4 ) 和双层甲板间舱( c o m p 5 ) 如图3 6 ，3 7 所示。 1 由于缺乏l n 恨钢的温度特姓，导热系数采用3 0 0 k 时的瞢通碳钢的导热系数值 2 装有珍珠岩的木辍的导热系数采用的硬绝缘学热系数值； 3 由于缺乏挝脂的激发特牲树腿的导热系数取为o 、3 0 2 ： 芷m 矿 翌鞋 北京化工大学硬士学证论文 3 3 蛊然对流对换热的影晌 图 薄膜式i - n g 船内外壳之间充满着大量的空气，因此，内孙壳间的热量传递 主要靠空气的自然对流。 l n g 运输船的舱室空间较大，属于大空阀自然对流，根据第二章的理论公式， 以底边舱为例，分别计算出内外壳温差为2 菇时( 内壳与舱室温差为l k ，舱室与 外壳温差为l 足) 热传导和热对滤对总体抉热量的影响： 尺寸：底边长2 。4 3 m宽2 。8 掰高3 2 m l n g 汉度一1 6 2 0 c外竞o o c 外壳及连接板导热系数4 5缈渤- 露) 热传导的热流槭 哗孚_ 4 5 x 壶= 2 8 1 2 5 2 疗j z 揆热量为： q = 础= 2 8 1 2 5 o 。0 2 = o 5 6 2 5 彬 表3 2 空气 ! | 勺热物理性质 空气温度( k )空气湓度( o c )w ( m k )( 1 依)( m 2 ，s ) p r 2 0 07 3 1 51 8 l e ，0 25 o o e + 0 37 6 0 e 0 6o 7 3 7 2 5 0 ，2 3 1 52 2 3 e 0 2 4 o o e - 0 3 1 1 4 e 0 5 o 7 2 3 0 02 6 8 52 6 3 e 0 23 3 0 e 0 31 5 9 e 0 50 7 0 7 3 5 07 5 8 5 3 o o e 0 2 2 9 0 e 0 32 1 0 e 0 50 7 北京化= c 大学硕士学位论文 由表3 2 可得到2 7 3 k 时空气的热物理性质： 露= 3 。6 7 8 x l o - 3 ( 阱，彭)声= 2 4 1 4 1 0 4 i 足 y = 1 3 4 7 x 1 旷默= o 7 1 4 表丽积与周长之比三= o 6 5 l j ，：量丛互；! 篁：! ：! ! ! ! ：! ! ! 兰! ! ：! 享q ：壁i ! ：5 4 8 6 。1 0 ， y 2 ( 1 _ 3 4 7 l o q y 矗吒= ( p r = 5 4 8 6 1 0 7 o 7 1 4 = 3 9 1 7 1 0 7 1 0 7s 露口1 0 1 j 鼢= o 1 5 r 盯l 1 7 3 = 5 0 9 4 2 ：掣：型芝掣“8 8 9 驴枷鄹 三o 6 5 1 、 热流密度9 = ( 1 0 ) = 1 8 8 9 l = 1 8 8 9 m 2 换热量 9 = 叫= 1 8 8 9 2 4 3 5 2 8 = 1 2 8 8 扩 经计算可知，虽然热传导的热流密度大于自然对流的热流密度，但是自然对 滚所占的西积大予热传导的谣袄，结果是自然对流的影响比熟传导要大，因此， 内外壳闯的热量传递过程中以自然对流换热为主，温度变化1 k 时对流换热的总 换热量可近似求得4 0 0 0 矿。 3 4 比较各种船用加强材对换热的影晌 封闭腔室内加强材对对流系数的影响： 分析模型中共分为1 3 个舱室，每个舱室中都有大薰的、各种形状的加强材。 这些加强材对对流系数有鸯接的影响，从而影响总体的换热量。在进行湿度场分 析的时候，要考虑到加强材的影响。但是，如果用a n s y s 建模型时，直接将加强 材建在模型上，就会增加建模的复杂程度和划分网格的难度，因此，对加强材傲 定的简化是必要的。为了简化模型，将加强树做等效处理，即将加强材对换热 蹙的影响等效为壁面对流系数的改变。 加强材简化： 假设： 北京化工大学硕士学位论文 加强材中热流和懑度不随时间两变化； 加强材的材料是均匀的，各个方向的导热系数都相等，且是稳定的； 沿整个加强材表面的对流系数是稳定藤均匀的； 加强材周围介质的温度是均匀的； 加强材的厚度与意度之比缎小，沿厚度方向的温度梯度忽略不计； 加强材根部的温度是均匀的； 加强材与其基嚣没有接触热阻； 加强材内无热源或热汇； 加强材端部表露的换热量与其两侧相比较小，可以忽略不计； 加强材与其周围空气的热流量与它粕之阀的温差成正比。 下嚣分别毒寸论备种形状( 条形、己形、t 形、球扁铜) 加强材对对流系数的影响： 3 。4 。1 条形加强材： 精确解： 由以上假设，条形加强材导热可近似看成是一维阀鼷。设横截面积为，横 断面周边总长为u ，导热系数七= 常数，条形加强材四周流体温度乃= 常数，壁 面温度l = 常数，对流系数 = 常数，其能薰守恒关系可表示为： 导入热量级= 导出热量q + 。+ 对流散热量g 由傅立时导热定律，可得： q 一是罢， ( 3 _ 4 ) 女罢h 窘触 ( 3 _ 5 ) 由牛顿换热公式，有 q = 办( 丁一t ) e 后致 ( 3 6 ) 把上三式代入( a ) ，整理褥导热微分方程： 警一等( h ) _ o ( 3 州 或者 北京化工大学硕士学位论文 去掉条形加强材时的散热量为： q = 4 ( l 一0 ) ( 3 一1 2 ) 令q = q ，得： 穗=q 0 + 地( 瓦一t ) 碡( 瓦一珀 ( 3 1 3 ) 简化后，舱室内对流系数由矗变为甄。 近似解： 代入端部绝热边界条件：x = 0 ， 目= 铱， 川，乳地 得到条形加强材的温度分布： 妄= 制 沪 氏c o s h 沏，) 可以 导出条形加强材端部( x = ，) 处的温度： 等 刮 迦抄竺棚瑚一芝荽蕊 一 一 一 一黼一一曲 一 嘞 北京化工大学硬士学位论文 条形加强材散热量 总散热量为： 红= 她筹掣 ：卵帆编篙 l + 兰一， f 搠， ) 温度分布： g = 吼 换热曩 州m i f i ( t 一抄熹州州，一和 咖( 州- ) + 熹旃( 州t 小， 盼篙 1 + 一二一砍f m ，) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) ( 3 _ 一1 7 ) ( 3 1 8