馬晨增，唐文勇

（1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 高新船舶與深海裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

SPB型LNG運(yùn)輸船溫度場(chǎng)研究

馬晨增1,2，唐文勇1,2

（1. 上海交通大學(xué) 海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 高新船舶與深海裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240）

對(duì)SPB型液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運(yùn)輸船的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究，該類型船區(qū)別于薄膜型船的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得其溫度場(chǎng)分析有一定的難度。在構(gòu)建船體傳熱模型時(shí)，對(duì)特殊構(gòu)件的熱對(duì)流效應(yīng)、船體內(nèi)部對(duì)流傳熱空間的劃分和對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算方式等問題進(jìn)行分析，并做出合理的處理。以大型有限元軟件MSC.Nastran和MSC.Patran為平臺(tái)建立有限元模型，利用控制語言PCL編寫計(jì)算程序，求解船體溫度場(chǎng)。

LNG運(yùn)輸船；SPB型液艙；對(duì)流換熱系數(shù)；對(duì)流空間；結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)

0 引 言

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）運(yùn)輸船（簡(jiǎn)稱LNG船）由于裝載極低溫（-163℃）的LNG，使得整個(gè)船體結(jié)構(gòu)存在著巨大的溫度差異，最高溫差可達(dá)到200K。如此大的溫差帶來的溫度應(yīng)力對(duì)船體結(jié)構(gòu)的安全性有一定的影響，因此研究該類型船舶的溫度場(chǎng)具有重要意義。

大型LNG船具有內(nèi)外溫差大、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和傳熱過程復(fù)雜的特點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者已針對(duì)LNG船的溫度場(chǎng)進(jìn)行大量研究，例如：余祥虎[1]利用ANSYS軟件計(jì)算薄膜型液艙的溫度和應(yīng)力場(chǎng)；章偉星等[2]和馮武文等[3]利用船體對(duì)稱性，通過對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行二次開發(fā)，求解1/4液艙在8種工況下的溫度分布，并計(jì)算各工況下的換熱功率及日蒸發(fā)率；丁仕風(fēng)等[4]基于MSC.Patran開發(fā)專用計(jì)算模塊，求解船體內(nèi)部各構(gòu)件之間的對(duì)流耦合系數(shù)，簡(jiǎn)化LNG船溫度場(chǎng)分析過程；ROH等[5-6]針對(duì)陸上LNG儲(chǔ)罐，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件分析外界熱量的流入對(duì)其蒸發(fā)率的影響；SHAHRIAR[7]建立空心圓柱體的分析模型，研究其溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力。

上述研究主要針對(duì)的是陸上LNG儲(chǔ)罐和薄膜型LNG船，將構(gòu)建的傳熱模型直接應(yīng)用到SPB型船溫度場(chǎng)的分析中尚有不妥之處。SPB型船由于具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其熱量傳遞方式呈現(xiàn)出不同于薄膜型船或陸上LNG儲(chǔ)罐的特征。本文根據(jù)SPB型船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳熱特性，針對(duì)其存在的問題對(duì)支承結(jié)構(gòu)熱對(duì)流效應(yīng)的影響及船體板對(duì)流換熱系數(shù)的確定等進(jìn)行研究，構(gòu)建相應(yīng)的傳熱模型并計(jì)算船體溫度場(chǎng)。

1 SPB型船傳熱特性

區(qū)別于常見的薄膜型LNG船，獨(dú)立型LNG船的液艙與主船體是分開建造的，由具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的支承構(gòu)件與主船體連接。液艙壁材料一般選用鋁合金或9%鎳鋼，并利用絕熱材料覆蓋在艙壁外部[8]。B型獨(dú)立液艙指的是采用精確分析手段確定液艙的應(yīng)力水平和疲勞壽命等特性之后設(shè)計(jì)的液艙，SPB型液艙是其代表艙型[9]。典型的SPB型LNG船橫剖面圖見圖1。

薄膜型船與SPB型船在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的不同導(dǎo)致兩者的熱量傳遞模式存在較大差異，圖2和圖3分別為2種船型的熱量傳遞模式示意。

圖1 典型的SPB型LNG船橫剖面圖

圖2 薄膜型船熱量傳遞模式示意

圖3 SPB型船熱量傳遞模式示意

由圖2和圖3可知，與薄膜型船相比，SPB型船的熱量傳遞模式呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，而這些特點(diǎn)也給其溫度場(chǎng)的分析帶來一些新的問題：

1) SPB型船的液貨艙獨(dú)立于主船體結(jié)構(gòu)，在兩者之間形成一個(gè)封閉的特殊空腔室，外界熱量需經(jīng)過船體外殼、外層空氣、船體內(nèi)殼、內(nèi)層空氣、絕熱層及液艙壁才能傳遞到液艙內(nèi)部。在研究薄膜型船的溫度場(chǎng)時(shí)，有時(shí)采用的簡(jiǎn)化方法是將船體內(nèi)部的空氣視為全流通，即只有1個(gè)溫度，這明顯不適用于SPB型船。因此，在計(jì)算SPB型船內(nèi)部對(duì)流傳熱時(shí)，必須適當(dāng)?shù)貏澐殖霾煌膶?duì)流空間。

2) SPB型船的絕熱材料是附在液艙壁外側(cè)的，其外表面直接與空氣接觸，參與對(duì)流換熱。在與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱時(shí)，絕熱材料與船體構(gòu)件之間存在差異，因此不能簡(jiǎn)單地假設(shè)船體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱系數(shù)全部一致，有必要分類計(jì)算各構(gòu)件的對(duì)流換熱系數(shù)。此外，在確定對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)，是否有必要采用耦合算法也需作進(jìn)一步分析。

3) SPB型船的液貨艙與主船體之間通過特殊的支承構(gòu)件連接。這些支承構(gòu)件在以傳導(dǎo)的方式將船體的熱量傳遞給液艙的同時(shí)，還參與對(duì)流換熱，其換熱量對(duì)內(nèi)層對(duì)流空間溫度的影響程度有待進(jìn)一步分析。

2 SPB型船傳熱模型

針對(duì)SPB型LNG船溫度場(chǎng)分析存在的問題，結(jié)合該船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳熱特性構(gòu)建相應(yīng)的傳熱模型。

2.1 傳熱方式

本文認(rèn)為船體內(nèi)部主要的傳熱方式為結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)和結(jié)構(gòu)與空氣之間的熱對(duì)流，將熱輻射的影響與對(duì)流換熱系數(shù)耦合。在熱傳導(dǎo)計(jì)算中，忽略溫度對(duì)各材料導(dǎo)熱系數(shù)的影響。此外，認(rèn)為熱對(duì)流主要發(fā)生在船體板與空氣之間，在計(jì)算對(duì)流換熱時(shí)，將船體骨架視為船體板的散熱肋片，即船體板的對(duì)流換熱系數(shù)乘以一個(gè)影響系數(shù)。

2.2 對(duì)流空間

由第1節(jié)的分析可知，必須對(duì)SPB型船的內(nèi)部空間進(jìn)行劃分，不能采用內(nèi)部空氣全流通的假設(shè)，其內(nèi)部至少存在內(nèi)外2層對(duì)流空間。內(nèi)層對(duì)流空間內(nèi)的結(jié)構(gòu)較少，不必再進(jìn)行劃分，將其記為空間1；結(jié)合船體構(gòu)件對(duì)空氣流通性的影響，將外層空間劃分為3個(gè)封閉的對(duì)流空間，分別記為空間2，空間3和空間4（見圖4）。

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社《薄膜型液化天然氣運(yùn)輸船檢驗(yàn)指南》的建議，認(rèn)為對(duì)流空間內(nèi)的溫度是均勻分布的，由該空間熱平衡方程得出，即：

圖4 對(duì)流空間劃分示意圖

式(1)中：Tc為對(duì)流空間內(nèi)空氣的溫度；hi為與圍成對(duì)流空間的第i塊板的對(duì)流換熱系數(shù)；Ai為第i塊板的面積；Tsi為第i塊板的溫度。

2.3 對(duì)流換熱系數(shù)

在溫度場(chǎng)的計(jì)算中，船體結(jié)構(gòu)溫度、船體構(gòu)件與周圍流體的對(duì)流換熱系數(shù)和對(duì)流空間溫度是互相耦合的。在計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)，一般先假設(shè)對(duì)流換熱系數(shù)和對(duì)流空間溫度的初值，根據(jù)對(duì)流空間熱平衡方程及熱對(duì)流相關(guān)理論，綜合考量結(jié)構(gòu)溫度、對(duì)流換熱系數(shù)和對(duì)流空間溫度之間的耦合關(guān)系，然后迭代求解，得到最終的結(jié)果。

一般認(rèn)為船體內(nèi)部傳熱符合大空間自然對(duì)流模型。對(duì)流換熱系數(shù)與船體板的溫度、幾何位置、傳熱性質(zhì)和周圍流體的特性等因素有關(guān)，因此需對(duì)船體板進(jìn)行分類（見圖5）。由第1節(jié)的分析可知，在圍成內(nèi)層對(duì)流空間的壁中，有一類特殊的船體板（即絕熱層，見圖5中的12～16）。絕熱層內(nèi)外表面的溫差極大，不能將厚度方向上的平均溫度作為計(jì)算其與內(nèi)層空間對(duì)流換熱系數(shù)的依據(jù)。本文將絕熱層外表面假設(shè)是一塊厚度很小的“板”，絕熱層的對(duì)流換熱通過該“板”進(jìn)行。具體實(shí)施時(shí)，在大型有限元軟件MSC.Patran中采用塊單元模擬絕熱層，并在絕熱層外表面附上一層板單元，讀取該層板單元的溫度，將其作為計(jì)算絕熱層與內(nèi)層空間對(duì)流換熱系數(shù)的依據(jù)。

圖5 船體板劃分示意

在大空間自然對(duì)流換熱模型中，結(jié)構(gòu)的對(duì)流換熱系數(shù)可通過以下方式計(jì)算[10-11]。

1) 垂直板的自然對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算式為

對(duì)于與鉛垂線的夾角＜60°的傾斜板，也可采用式(2)計(jì)算。式(2)中，RaL為瑞利數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)。

2) 水平板的自然對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算式為

(1) 熱板向上或冷板向下

(2) 熱板向下或冷板向上

在求得Nu后，依據(jù)式(5)即可求出相應(yīng)的對(duì)流換熱系數(shù)。

通過這種方式可較為準(zhǔn)確地計(jì)算內(nèi)部各構(gòu)件的對(duì)流換熱系數(shù)，但計(jì)算量較大。在分析薄膜型LNG船的溫度場(chǎng)時(shí)，常用的簡(jiǎn)化算法是事先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)估各構(gòu)件的對(duì)流換熱系數(shù)，只考慮對(duì)流空間溫度和船體結(jié)構(gòu)溫度的耦合。本文分別采用耦合算法和簡(jiǎn)化算法進(jìn)行計(jì)算，比較這2種算法在分析SPB型船溫度場(chǎng)時(shí)的適用性。

2.4 支承構(gòu)件

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)資料，在一個(gè)艙段內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)與對(duì)流空間內(nèi)空氣的接觸面積約為206.34m2，而圍成對(duì)流空間船體板的面積為13135.68m2，兩者的比值約為1.5%，可見支承構(gòu)件與空氣的對(duì)流換熱量對(duì)空間溫度的影響非常小。根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果，考慮到支承構(gòu)件對(duì)流換熱后對(duì)流空間溫度的變化幅度＜1%，在分析SPB型船的溫度場(chǎng)時(shí)可忽略支承構(gòu)件的對(duì)流換熱效應(yīng)。

2.5 分析流程

在船體傳熱模型構(gòu)建完成之后，按圖6給出的溫度場(chǎng)分析流程進(jìn)行溫度場(chǎng)的計(jì)算。

圖6 溫度場(chǎng)分析流程

3 船體溫度場(chǎng)的計(jì)算

本文以大型有限元軟件MSC.Nastran和MSC.Patran為平臺(tái)建立及分析船體有限元模型，利用其控制語言PCL編寫計(jì)算程序，求解船體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)。

3.1 溫度場(chǎng)計(jì)算

采用《國(guó)際散裝運(yùn)輸液化氣體船舶構(gòu)造和設(shè)備規(guī)則》[12]建議的環(huán)境工況（見表1），分3種方式確定船體構(gòu)件對(duì)流換熱系數(shù)（見表2）。

表1 環(huán)境工況

表2 船體構(gòu)件對(duì)流換熱系數(shù) W/(m2.K)

表2中，方式1和方式2為依據(jù)參考文獻(xiàn)及經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1,4,11]事先確定的2組對(duì)流換熱系數(shù)。

3.2 結(jié)果分析

3種方式的溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果見圖7。

圖7 船體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)云圖

表3和表4分別給出3種方式下對(duì)流空間的溫度及典型船體構(gòu)件的溫度。由計(jì)算結(jié)果可知，船體溫度場(chǎng)對(duì)構(gòu)件的對(duì)流換熱系數(shù)十分敏感。

表3 各對(duì)流空間溫度

表4 典型船體構(gòu)件溫度

方式1和方式2中預(yù)估了2組對(duì)流換熱系數(shù)，且所取數(shù)值都在鋼板與空氣對(duì)流系數(shù)的合理范圍內(nèi)，但從結(jié)果上來看兩者相差較大，其中，對(duì)流空間2的結(jié)果相差達(dá)到658%，上甲板的結(jié)果相差達(dá)到226%。方式2的對(duì)流系數(shù)取值更大，因此其計(jì)算結(jié)果更接近于環(huán)境溫度。方式1和方式2在預(yù)估內(nèi)部空氣與船體板的對(duì)流系數(shù)時(shí)，認(rèn)為這些系數(shù)是一致的，忽略了船體板幾何位置及周邊環(huán)境等因素的影響，因此預(yù)估的對(duì)流系數(shù)必須能準(zhǔn)確反映整體結(jié)構(gòu)的平均對(duì)流傳熱水平，當(dāng)結(jié)構(gòu)之間的傳熱特性存在很大差異時(shí)，這是很難實(shí)現(xiàn)的。這種方法曾被應(yīng)用到薄膜型LNG船船體溫度場(chǎng)的模擬中[1,4]，而SPB型船的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和傳熱過程更為復(fù)雜，船體結(jié)構(gòu)的對(duì)流系數(shù)差異也更為明顯，因此預(yù)估對(duì)流系數(shù)的算法對(duì)SPB型船溫度場(chǎng)分析的適用性不強(qiáng)。

從方式1、方式2和方式3的結(jié)果比較中來看，由于采用的算法不同，得到的結(jié)果相差較大，方式3所采用的耦合算法分類計(jì)算各船體板的對(duì)流換熱系數(shù)，能更為準(zhǔn)確地反映SPB型船的傳熱特征，因此推薦使用耦合算法分析SPB型船的溫度場(chǎng)。

4 結(jié) 語

本文研究SPB型LNG船的溫度場(chǎng)，針對(duì)構(gòu)建船體傳熱模型時(shí)遇到的問題進(jìn)行相關(guān)研究。結(jié)合該型船的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和傳熱特性做出合理的處理，包括：不采用船體內(nèi)部空氣全流通假設(shè)，而是劃分出若干個(gè)對(duì)流空間；通過分析認(rèn)為：支承構(gòu)件的熱對(duì)流效應(yīng)可忽略，將絕熱層外表面視為廣義船體板，并在有限元模型中做相應(yīng)處理。最后通過比較計(jì)算結(jié)果，推薦采用耦合算法確定船體構(gòu)件的對(duì)流換熱系數(shù)。研究成果對(duì)SPB型LNG船溫度場(chǎng)分析具有一定的參考意義。

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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

馬晨增，男，碩士生，1993年生。2015年畢業(yè)于上海交通大學(xué)船舶與海洋工程系，現(xiàn)主要從事船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)力學(xué)研究。