极地海洋工程装备圆管结构的对流换热影响

图1 对流换热系数测定实验装置示意图

Fig.1 Experimental device for measuring convective heat transfer coefficient

为减少不必要的热量散失,伴热带均匀缠绕在木材包裹的保温层上.由于流体横掠圆管会产生边界层的分离,发生绕流脱体的现象,管壁不同区域对流换热程度不同,所以测温点沿着半圆周布置.实验中,每隔30°布置一个温度测点,共计7个,测点布置如图2所示.图中:R为圆管半径;A表示对称轴.实验测量仪器参数如表1所示.

图2

图2 测点布置图

Fig.2 Arrangement of measurement locations

表1 实验测量装置仪器

Tab.1 Experimental measurement devices

实验测量装置	测量范围	精度
温度采集仪1台	-99~999 ℃
K型温度热电偶7个测管温,2个测风温	-50~220 ℃	1%
NK1000高精度风速仪1台	0.6~60 m/s	3%

2 电加热圆管对流换热数值仿真

本文通过Fluent有限元分析软件,采用二维建模,根据电加热圆管对流换热实验情况建立物理模型.由于圆管形状不规则,所以采用非结构网格划分,考虑圆管附近以及后部流场变化剧烈,将圆管附近网格进行加密处理,网格总数为 107 583.流体域的进出口分别为速度入口和压力出口.考虑伴热带进行均匀加热,将壁面设置为非滑移边界条件,热边界条件设置为固定热流量,其大小为 1 801.86 W/m².空气横掠圆管时会产生脱体绕流,考虑边界层受到脱体绕流的影响,数值模拟选择k-ε湍流模型,同时进行非稳态计算.数值分析中,风速为0~40 m/s,温度为 -40~0 ℃.

2.1 仿真结果分析

加热圆管对流换热系数随风速和温度的变化如图3和4所示.图中:v为风速;T为温度.由图3可知,增大风速和降低温度都会提高圆管的对流换热系数;当温度在-30~-20 ℃ 内且风速大于 25 m/s,以及当温度低于-30 ℃ 时,风速对圆管对流换热系数影响增大.由图4可知,温差一定时,不同风速下的对流换热系数增幅不同.当温度在-30~-20 ℃ 内且风速大于 25 m/s,以及温度低于-30 ℃ 时,对流换热系数随温度变化的曲线斜率变大,说明该环境条件下,温度对圆管的对流换热系数影响加大. 风速大于 25 m/s 时,绕流脱体的起点后移,脱体区域的扰动强化换热效果减弱,因此,-10 ℃ 和-20 ℃ 时的对流换热系数随风速的变化率减小;而在温度低于-20 ℃时,空气黏性的降低较大地增强了对流换热,在一定程度上抵消了风速引起的换热影响.

图3

图3 不同温度下对流换热系数随风速变化

Fig.3 Convective heat transfer coefficient versus wind speed at different temperatures

图4

图4 不同风速下对流换热系数随温度变化

Fig.4 Convective heat transfer coefficient versus temperature at different wind speeds

2.2 对流换热系数预测模型

恒壁温加热方式下圆管换热的经验公式^[12]表明,在不同风速、温度范围内换热系数的变化规律存在明显差异,2.1节分析与该结论基本一致.表2为不同温度范围内的圆管对流换热系数仿真分析,结果表明:

表2 对流换热系数仿真分析结果

Tab.2 Analysis results of simulation data of convective heat transfer coefficient

T/℃	v/ (m·s^-1)	T对h增幅影响/%	v对h增幅影响/%
(-20,0]	<25	1.7	21.2
	>25	2.2	7.8
(-30,-20]	<25	1.9	22.4
	>25	1.7	13.5
[-40,-30]	<25	43.2	23.6
	>25	31.7	9.4

(1) -20 ℃<T≤0 ℃条件下,风速小于25 m/s时,温度降低10 ℃,对流换热系数增大1.7%;风速增大5 m/s,对流换热系数增大21.2%.风速大于25 m/s时,温度每降低10 ℃,对流换热系数随之增大2.2%;风速每增加5 m/s,对流换热系数随之增大7.8%.

(2) -30 ℃<T≤-20 ℃条件下,当风速小于25 m/s 时,温度每降低10 ℃,对流换热系数增随之大1.9%;风速每增加5 m/s,对流换热系数随之增大22.4%.风速大于25 m/s时,温度每降低10 ℃,对流换热系数随之增大1.7%;风速每增加 5 m/s,对流换热系数随之增大13.5%.

(3) -40 ℃≤T≤-30 ℃条件下,当风速小于25 m/s 时,对流换热系数随温度降低10 ℃而增大43.2%;风速每增加5 m/s,对流换热系数随之增大23.6%.风速大于25 m/s时,温度降低10 ℃,对流换热系数增大31.7%;风速每增加5 m/s,对流换热系数随之增大9.4%.当温度高于-30 ℃时,风速是影响圆管对流换热的主要因素;当温度低于-30 ℃ 时,温度对圆管对流换热的影响显著性增大,风速的影响基本保持不变.

因此,对流换热系数预测模型应充分考虑不同温度、风速的影响.

风速和温度是影响圆管对流换热的主要因素,受温度影响的相关参数变化范围如表3所示.表中:Pr为普朗特数;λ为导热系数.

表3 普朗特数和导热系数的范围

Tab.3 Ranges of Prandtl number and thermal conductivity

T/℃	Pr	λ/(W·m^-1·K^-1)
(-30,0]	[0.707,0.723)	[0.022 0, 0.023 6]
[-40,-30]	[0.723,0.728]	[0.021 2,0.022 0)

受温度影响的相关参数变化范围较小,在电加热圆管对流换热数值分析拟合过程中将普朗特数Pr、导热系数λ看作常数.-30 ℃<T≤0 ℃时,Pr为0.715,λ为 0.022 8;-40 ℃≤T≤-30 ℃ 时,Pr为0.726,λ为 0.021 6.对流换热系数在不同温度范围内的数学预测模型可表示为

(3)h_m=

\{\begin{array}{l} C_{1} \frac{λ}{d} R e^{m_{1}} P r^{n_{1}}, & - 30 ℃ < T \leq 0 ℃ \\ C_{2} \frac{λ}{d} R e^{m_{2}} P r^{n_{2}}, & - 40 ℃ \leq T \leq - 30 ℃ \end{array}

式中:C₁=0.490;m₁=0.659;n₂=3.141;C₂=0.191;m₂=0.599;n₂=1.680.

基于式(3),对数值仿真数据进行拟合,结果如图5所示.拟合的统计学结果中决定系数R²分别为98.0%和99.6%,拟合结果可靠度较高.

图5

图5 对流换热系数数值分析拟合结果

Fig.5 Fitted measured data of convective heat transfer coefficients

3 对流换热实验验证

在低温实验室建立了圆管构件电伴热对流换热的实验平台,实现了圆管结构件在不同风速、温度条件下对流换热系数的测定.实验温度控制范围为 -5~-50 ℃;风速为4~13.7 m/s.实验的圆管构件为极地工程装备上部设施扶手的真实构件,尺寸参数为外径0.042 m、内径0.020 m、长0.251 m.

3.1 实验与仿真结果对比分析

在低温实验室进行了24组对流换热实验,实验工况及相应的结果如表4所示.表中:h_mea为实测对流换热系数.

表4 实验工况及结果

Tab.4 Experimental conditions and results

试验编号	T/℃	v/(m·s^-1)	h_mea/(W·m^-2·K^-1))
1	-5.0	4.9	60.2
2	-5.1	8.8	78.3
3	-4.7	13.7	101.2
4	-10.0	5.0	60.4
5	-10.0	8.6	77.6
6	-10.0	13.1	98.7
7	-15.0	5.1	61.2
8	-14.8	9.3	79.1
9	-14.8	13.3	99.8
10	-20.0	5.1	61.7
11	-19.9	9.3	78.7
12	-19.4	13.1	97.4
13	-25.0	4.9	59.8
14	-25.1	8.7	78.3
15	-24.3	12.5	98.5
16	-30.0	4.8	60.1
17	-29.9	8.4	76.9
18	-29.3	12.1	97.8
19	-34.9	4.9	94.5
20	-35.0	8.3	117.7
21	-34.3	11.2	129.7
22	-39.6	4.1	87.4
23	-39.7	7.6	112.3
24	-40.3	11.2	127.5

对流换热系数的实测值误差主要包含两方面:① 实验测量的圆管温度呈周期性波动,测量温度的K型热电偶精度为1%;② 在处理实验数据时,为减小实验测量误差,每组实验工况进行3次;考虑绕流脱体的影响,数据处理时取每个测点平均值作为圆管总体的平均换热系数.

为明确温度对圆管构件对流换热的影响,选取风速大小较接近的实验工况对比分析,其结果如图6所示.由图可知,电加热圆管的对流换热仿真结果与实测结果接近,平均误差为7.5%,验证了数值计算模型的正确性;当温度高于-30 ℃ 并且风速一定时,温度对圆管的对流换热系数影响较小;当温度低于-30 ℃ 时,接近风速工况下的对流换热系数显著增大,表明温度对圆管的对流换热影响增大.

图6

图6 对流换热系数随着温度变化

Fig.6 Convective heat transfer coefficient versus temperature

选取温度接近的实验工况下对流换热系数的对比分析,结果如图7所示.由图可知:① 实测结果与仿真结果接近,平均误差为7.3%;② 由于实验过程中风速在较小的范围内波动(通常略低于数值模拟设置的风速),加热圆管过程中存在一定量的热量损失,所以造成实测结果偏小;③ 当温度一定时,圆管的对流换热系数随风速增大而增加.

图7

图7 对流换热系数随风速变化

Fig.7 Convective heat transfer coefficient versus air speed

3.2 对流换热系数预测模型的验证分析

电加热圆管对流换热系数预测模型与实测结果对比如图8所示.当风速在4.1~5.1 m/s内,对流换热系数实测结果与拟合结果比较接近,平均误差为2.6%;当风速在7.6~9.3 m/s内,对流换热系数实测结果大于拟合结果,平均误差为10.1%;当风速在11.2~13.7 m/s内,对流换热系数实测结果大于拟合结果,平均误差为14.1%.综上所述,拟合结果与实测结果误差较小,电加热圆管构件的对流换热系数预测模型可以为极地海洋工程装备防寒设计提供一定的参考.

图8

DOI:10.13679/j.jdyj.20190033 [本文引用: 1]

图8 实测与拟合结果对比

Fig.8 Comparison of measured and fitted results

4 结论

本文通过Fluent有限元软件,数值模拟研究了温度-40~0 ℃、风速0~40 m/s内电加热圆管的对流换热系数变化情况,仿真结果表明:① 增大风速和降低温度都会使圆管的对流换热系数增大;② 当温度低于-30 ℃ 时,温度对圆管的对流换热系数影响增大;③ 当风速大于 25 m/s且温度降低至-20 ℃ 以下时,温度对圆管的对流换热系数影响增大;④ 基于仿真数据建立了圆管的对流换热系数预测模型.

在低温实验室,搭建了面向极地海洋工程装备电加热圆管构件对流换热实验平台,研究了温度-40~0 ℃、风速0~13.7 m/s内电加热圆管的对流换热系数变化情况.实验结果表明:①仿真结果与实测结果比较接近,验证了数值模拟的合理性;②当温度低于-30 ℃时,温度对圆管化热影响增大,与仿真结果一致;③验证了基于仿真建立的对流换热系数预测模型在一定风速范围内的适用性,预测模型误差较小,满足工程要求.

极地海洋工程装备上部设施构件繁多,本文仅对电加热圆管构件的对流换热影响进行了分析,其他构件(例如平板等规则构件、踏步等非规则构件等)还需要进一步开展研究.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

沈杰, 白旭.

基于Fluent和FENSAP-ICE的极区海洋平台甲板结构结冰数值模拟

[J]. 极地研究, 2020, 32(2): 177-183.

极区自然资源丰富却气候恶劣, 海洋平台在此地区作业时甲板表面极易出现结冰现象。针对极区海洋平台甲板结构结冰问题, 采用Fluent与FENSAP-ICE软件相结合的方法, 分析在过冷雾和过冷雨条件下, 距海面高度和结构特征长度对甲板结构结冰的影响。结果表明: 当特征风速为5 m·s–1、6 m·s–1和7 m·s–1时, 在风速不变的条件下, 随着距海面高度由2 m增加到20 m, 结构表面的平均结冰厚度均逐渐增加且结构表面的结冰相对增长率逐渐减小; 在特征风速为5m·s–1条件下, 在距海面高度为20 m和80 m处, 随着结构特征长度由1 m增加到30 m时, 结构表面的平均结冰厚度均逐渐减小且减少程度逐渐减缓。

SHEN

Jie

, BAI

Numerical simulations of deck structure icing on polar offshore platforms based on fluent and fensap-ice

[J]. Chinese Journal of Polar Research, 2020, 32(2): 177-183.

DOI:10.13679/j.jdyj.20190033 [本文引用: 1]

The polar region is rich in natural resources, but the climate is harsh. The deck surface of offshore platforms in this region is prone to icing, which is dangerous. To investigate factors affecting the icing of deck structures on polar marine platforms, a combination of the software programs Fluent and FENSAP-ICE was used to analyze the influence of sea surface height and structure length on deck icing under conditions of supercooled fog and rain. The results showed that when Characteristic wind speeds were 5 m·s–1, 6 m·s–1 and 7 m·s–1, average ice thickness on the structure surface increased gradually with height from 2 m to 20 m and the relative growth rate of ice on the structure surface decreased gradually. Additionally, when Characteristic wind speed was 5 m·s–1 at altitudes of 20 m and 80 m above sea level, the length of the structure increased from 1 m to 30 m, and average ice thickness on the structure surface and degree of reduction decreased.

[2]

陆煊, 崔玫, 曹洪波, 等.

船舶防冻除冰技术现状与发展

[J]. 船海工程, 2016, 45(2): 37-39.

Xuan

, CUI

Mei

, CAO

Hongbo

, et al.

Present situation and development of de-icing and prevent frostbite technology of ships

[J]. Ship & Ocean Engineering, 2016, 45(2): 37-39.

[3]

ROEDER

, BAEN

, SEITZ

. Electric trace heat design methods for de-icing and anti-icing of vessels, support equipment and infrastructure in the arctic[C]//OCEANS 2017-Anchorage. Anchorage, AK, USA: IEEE, 2017: 1-7.

DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.04.097 URL [本文引用: 1]

[4]

AL-MDALLAL

Q M

, MAHFOUZ

F M

Heat transfer from a heated non-rotating cylinder performing circular motion in a uniform stream

[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 112: 147-157.

[5]

周柏男

. 横掠圆管和非圆管对流换热的数值分析[D]. 上海: 上海理工大学, 2018.

ZHOU

Bonan

. The numerical analysis of convercation transfer across cylinders and non-circular tubes[D]. Shanghai: University of Shanghai for Science & Technology, 2018.

DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.04.045 URL [本文引用: 1]

[6]

IKHTIAR

, MANZOOR

, SHEIKH

N A

, et al.

Free stream flow and forced convection heat transfer around a rotating circular cylinder subjected to a single gust impulse

[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2016, 99: 851-861.

[7]

WAN

P X

, HAN

X S

, MAO

J K

Very Large Eddy Simulation of turbulent flow and heat transfer for single cylinder and cylindrical pin matrix

[J]. Applied Thermal Engineering, 2020, 169: 114972.

DOI:10.1016/j.applthermaleng.2020.114972 URL [本文引用: 1]

[8]

李晓辰

. 低温海水外掠圆管流动与换热规律研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2017.

Xiaochen

. Study on convective heat transfer of hypothermic seawater flow across a tube[D]. Qingdao: China University of Petroleum (East China), 2017.

DOI:10.1115/1.3450685 URL [本文引用: 1]

[9]

CHURCHILL

S W

, BERNSTEIN

A correlating equation for forced convection from gases and liquids to a circular cylinder in crossflow

[J]. Journal of Heat Transfer, 1977, 99(2): 300-306.

[10]

DHIMAN

S K

, KUMAR

, PRASAD

J K

Unsteady computation of flow field and convective heat transfer over tandem cylinders at subcritical Reynolds numbers

[J]. Journal of Mechanical Science and Technology, 2017, 31(3): 1241-1257.

DOI:10.1007/s12206-017-0223-0 URL [本文引用: 1]

[11]

Guide for building and classing vessels intended for navigation in polar waters[S]. New York: ABS, 2008.

[12]

INCROPERA

F P

, DEWITT

D P

. Fundamentals of heat and mass transfer[M]. 5th ed. New York: John Wiley & Sons, 2002: 389-395.