摘 要

当船舶在极地地区航行时，冷却系统进行换热，海水中的冰晶会随着水流进入冷却系统管道。大量的冰晶长时间积累在冷却系统管道，不仅会造成管道的阻塞，而根据海水含冰率的不同也会直接影响船舶冷却系统管道的传热性。基于这种问题，通过理论和实验的学习，建立船舶海水冷却系统中的三维海水管道设计，对不同含冰率条件下海水管道传热特性分析。目前，对于管道的换热性有了许多研究，但是大多数研究集中模型设计和数据分析中，有很多学者就是通过实验的方法对冰浆在管道内的传热特性进行假设和分析。本文基于CFD数值模拟的方法，通过建立数学模型和Fluent软件分析对冷极地船舶海水冷却管道两相流流动的换热特性进行简易的分析。结果表明：冷却管路，随着海水含冰率的上升，管壁的平均换热系数h大体下降，当海水含冰率区间超过3%，海水-冰晶两相流体与淡水换热系统的换热强度呈近似线性变化，不会因含冰率的升高而出现换热情况不均的问题，从而影响海水管道的换热情况，进而使极地船舶海水冷却系统出现故障。当含冰率超过7%时会造成，会使管内造成阻塞现象，对船舶冷却管道造成影响。

关键词：极地船舶；CFD；传热特性；含冰率

Abstract

When the ship is sailing in the polar regions, the cooling system begain heat transfer, ice crystals in the sea water into the cooling system with the water pipe. A large number of ice crystals accumulated in the cooling system pipeline, it not only will cause the blockage of the pipeline, but also directly affect the heat transfer performance of the ship cooling system. Based on this problem, through the theoretical and experimental study, the design of three-dimensional seawater pipeline in the marine water cooling system is established, and the heat transfer characteristics of the pipeline with different ice content are analyzed. At present, there are many studies for the pipeline of the heat transfer, but most studies focus on the design of model and data analysis in, many scholars is through the method of experimental heat transfer characteristic of ice slurry in the pipe to assumptions and analysis. Based on the CFD numerical simulation method, this paper analyzes the characteristics of heat transfer of the two phase flow in the cold polar vessels by establishing mathematical model and Fluent software. The results show that the cooling pipe, with the  the rate of ice in the water containing rise,  the average heat transfer coefficient h of the tube wall decreased, when water and ice content interval more than 3%.two-phase fluid of water and ice and water heat transfer system for thermal intensity will approximately linear change, will not have uneven heat transfer problems for the rise of the rate of ice , thus affecting the water pipeline of the heat transfer.the polar ship sea water cooling system failure. When the ice containing rate is more than 7%. will cause the blockage in the pipe, which will affect the cooling pipe of the ship.

Keywords：polar ship, CFD,Heat transfer property,Ice content

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1 极地船舶研究背景及意义 1

1.1.2 我国极地船舶研究背景 2

1.1.3 极地海水管道传热特性研究背景 2

1.2 研究发展状况 3

1.3 课题内容及工作方案 4

第2章 软件数模介绍 5

2.1 CFD简介 5

2.2 应用软件简介 6

2.2.1 建模软件介绍 6

2.2.2 Fluent软件介绍 6

2.3 CFD数值求解过程 7

2.4 流体动力学方程 8

2.5本章小结 8

第3章 冷却系统管道的三维设计 9

3.1 ICEM建模 9

3.2 模型网格划分 10

3.3 本章小结 11

第4章 管道内传热特性的CFD研究 12

4.1 设置Fluent参数 12

4.1.1网格参数与单位设定 12

4.1.2 计算模型 13

4.2 求解过程 16

4.3 仿真结果图 19

4.4 结果分析 20

4.5 本章小结 21

第5章 总结和展望 22

5.1 总结 22

5.2 展望 23

5.3 创新点 23

参考文献 24

致谢 25

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 极地船舶研究背景及意义

北极地区具有特殊地位和意义。受全球气候变暖和生态环境恶化的影响，北极地区海冰大量融化，极地丰富的资源和北方航道将为世界提供重要的利益。而同时科学技术的发展和世界经济的复苏，船舶航运以成本低、可长距离大批量货运的优点成为了一种最重要的运输手段。目前世界上一些发达国家正在掀起极地船舶关键技术研究的热潮，与此同时开始大量建造极地船舶。

北极的自然资源极为丰富，为世界未来经济和社会的可持续发展提供了重要的保障。根据美国地质勘探局(USGS)2008年7月23日公布的一份为期4年的评估报告显示，勘探人员对北极圈内25个最有可能拥有油气的地质区域进行了全面评估^[1]。美国地质勘探局表示：“广阔的北极大陆架可能是地球上最大的尚未开发的石油储藏地。”另据俄罗斯自然资源和生态部部长特鲁特涅夫估计，除了石油和天然气外，俄罗斯北极海域大陆架的标准煤储量估计可达1000亿吨，甚至更多^[2]。北极地区总体煤炭储量高达1万亿吨，占全球煤炭储量1/4。北极的煤炭资源常年由冰雪覆盖，是世界上少有的高品质煤炭。此外，北极地区拥有丰富的石油、天然气，可燃冰的发现也为清洁能源的发展提供了一个方向。除了这些高品质的能源外，北极地区由于其洋流的特殊性，为世界提供了丰富的渔、林业。