薄膜型LNG船横向隔离舱温度场分析的简化算法

吕立伟吴嘉蒙余勇华

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；2.江苏新扬子造船有限公司 靖江214532）

薄膜型LNG船横向隔离舱温度场分析的简化算法

吕立伟1吴嘉蒙1余勇华2

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011；2.江苏新扬子造船有限公司 靖江214532）

国内针对薄膜型LNG船的温度场分析中，纵向构件及空间的计算结果已能保证一定的计算精度，但对于横向隔离舱通常未予关注，或计算结果与某薄膜型围护系统设备商（如GTT）的差异较大。文中针对薄膜型LNG船的横向隔离舱进行温度场分析，提出一种简化的计算方法，并研究归纳了一组自然对流系数的简化公式。通过和GTT提供的结果对比，证明该方法可行，且能保证一定的计算精度。

薄膜型LNG船；横向隔离舱；温度场；自然对流系数

引 言

温度场计算分析是液化气船，特别是LNG船设计过程中非常重要的一项内容，它不仅决定了船体结构的钢级选择，也是计算LNG船日蒸发率的主要依据。薄膜型LNG船是我国船舶行业的重点研究目标，国内对薄膜型LNG船的温度场分析已进行较多研究［1-4］，包括环境工况、绝缘箱热传导系数、是否考虑辐射传热、不同温度场计算假定等。其中大部分研究都是针对LNG船纵向构件/空间的温度场，已能保证一定的计算精度；但对于横向隔离舱壁的温度场分析较少，仅有的研究结果与薄膜型货舱围护系统设备商（如Gaztransport & Technigaz，以下简称GTT）提供的数据差别较大。

众所周知，薄膜型LNG船的横向隔离舱壁布置是《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》（以下简称“IGC规则”）强制要求的。其布置在两个液货舱之间，内部设置有考虑100%冗余的加热系统，能保证隔离舱的内部温度维持在5℃，横舱壁板维持在0℃以上。因此，温度场分析时通常都考虑隔离横舱壁内的加热效应，选取横舱壁板结构用钢钢级时也都采用A级钢（按IGC规则要求最低设计温度为0℃以上）。

但作为确定隔离横舱壁内加热系统功率的重要参考依据，不考虑加热效应下的隔离横舱壁温度场分析也属于薄膜型LNG船温度场分析的关键技术之一，有必要进行研究并提高其计算精度和计算效率。

1 隔离舱温度场的简化算法

温度场分析时，主要考虑三种传热方式［5］：热传导、对流换热和辐射传热。文献［3］认为：如进行的温度场分析是用于确定结构用钢的钢级，不考虑辐射传热是偏于保守的。

决定热传导的关键是绝缘箱的导热系数，从不同文献看取值差异较大［3］，相关文献中也对绝缘箱的导热系数进行了估算，建议次绝缘箱的导热系数取值为0.0278（W/m·K）［6］。

决定对流换热的关键是对流换热系数的选取。在工程上求取对流换热系数的常用方法：首先根据相似论或因次分析方法，确定一组和对流换热过程相关的无因次数群，如普朗特准则数Pr、雷诺准则数Re、格拉晓夫准则数Gr、努塞特准则数Nu等；然后通过试验求得它们之间的关系，再进而求解得到对流换热系数［3］。对于隔离舱空间而言，对流换热主要取决于自然对流换热。

1.1 自然对流换热系数的简化公式

针对不同的自然对流模型，可根据试验求得相应的试验关联公式。对于LNG船而言，试验关联公式多基于大空间的自然对流模型。经研究发现，当空气的温度确定时，自然对流换热系数h仅和温差以及几何特征长度L有关。因此，自然对流换热系数可简化为如下公式：

式中：a是与空气相关的特性系数。

对于LNG船，不同区域的几何特征长度可通过归纳得到。文献［5］基于大空间自然对流模型和试验关联公式，并结合薄膜型LNG船的结构布置特点，针对进行了研究，并最终将式（1）简化为如下公式。

对于热水平板上表面：

1.2 计算假设

横向隔离舱的温度场简化分析时，假定：

（1）主屏壁破损、次屏壁完整。

（2）忽略船体结构的传导换热损失。

（3）忽略绝缘层和LNG之间的换热损失。

（4）忽略辐射换热。

（5）考虑船体骨材引起的肋片效应。所谓肋片，在传热学中定义为：为增强传热，附加于固体壁面上的一种扩展形式的换热面。

1.3 计算模型及边界条件

对于任何一个舱室，当处于热平衡状态时，根据能量守恒定律，舱室内介质（空气或海水）和构成该舱室的各个结构构件间的换热量始终是恒定的，即各舱室总换热量为0。对于横向隔离舱壁温度场分析时，完全基于能量守恒定律（如下页图1所示），关系式为：

图1 横向隔离舱空间简化模型

1.4 简化分析的计算流程

（1）确定环境计算工况。

（2）计算船体纵向空间的温度。

（3）设定横舱壁温度的初始值。

（4）计算隔离舱空间的温度。

（5）计算隔离舱各边界面上的自然对流换热系数。

（6）计算隔离舱空间各个边界面上的流入（流出）热量。

当满足式（6）时，认为已达到热平衡；否则，继续调整横舱壁温度，并进行步骤（4）-步骤（6）。

（7）得到横舱壁及隔离舱空间的温度。

2 算例分析

针对某22万m3薄膜型LNG船的船舯典型横向隔离舱和船尾隔离舱进行温度场简化分析。

2.1 计算工况

环境温度条件见表1。对于尾部隔离空舱，由于其后部为机舱，假定机舱空间温度设定为5℃。

表1 温度场计算的环境条件

2.2 纵向空间的温度场计算结果

目标船纵向空间的温度分布计算结果如表2所示。

表2 目标船纵向空间的温度分布℃

2.3 横向隔离舱温度场计算结果

限于篇幅，以下仅出船舯典型横向隔离舱和船尾隔离舱温度场计算的最后一步叠代计算结果，分别如下页表3和表4所示。

2.4 与GTT结果对比

GTT公司针对该目标船也进行了温度场预报，环境工况与本文完全一致。表5给出了船舯典型横向隔离舱和船尾隔离舱与GTT的结果对比。

表3 船舯典型隔离舱温度场简化计算结果

表4 船尾隔离舱温度场简化计算结果

表5 横向隔离舱壁的温度分布对比℃

由表5可见，基于本文自然对流换热系数简化公式的温度场计算结果，与GTT提供的结果基本一致，误差不超过1.1℃，说明本文的计算方法是可行的，自然对流换热系数的简化公式是可靠的。另外，采用本文的计算方法不必进行有限元分析，仅在Excel中编制计算表格即可完成，对于工程实际而言效率较高。

3 结 论

文中给出一种计算LNG船横向隔离舱温度场的简化计算方法，并且对LNG船的自然对流换热系数进行了简化处理。经算例分析，计算结果与GTT的结果基本一致，表明本文采用的简化公式可靠、计算方法可行，大大减少了有限元建模工作量，且较好地提高了对工程实际应用效率。

此外，本文归纳的自然对流换热系数简化公式也适用于薄膜型LNG船纵向构件的温度场简化计算和其他液化气船的温度场分析，不过，这尚有待业界进一步证明。

［1］ 章伟星，李科浚，周昊，等.薄膜式LNG运输船温度场研究［J］.天然气工业，2005，25（10）：110-112.

［2］ 章伟星，莫鉴辉，金立明，等. 138 000 m3薄膜式LNG运输船温度场及其热应力分析［J］.船舶力学，2008，12（5）：770-777.

［3］ 吴嘉蒙，贺俊松，张勇，等.薄膜型液化天然气船温度场分析的若干问题研究［J］. 中国造船，2012，53（3）：75-84.

［4］ 吴嘉蒙，吕立伟.薄膜型液化天然气船结构规范计算的比较和研究［J］.船舶，2012（4）：38-44.

［5］ 张靖周， 常海萍.传热学［M］.北京：科学出版社，2009.

［6］ 吕立伟.液化天然气船温度场分析研究［D］.上海：上海交通大学，2013.

Simpli fi ed calculation method for temperature fi eld analysis of transverse cofferdam of membrane tank LNG carriers

LÜ Li-wei WU Jia-meng YU Yong-hua
(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2. JiangSu New Yangzi Shipbuilding Co., Ltd., Jingjiang 214532, China)

For the temperature fi eld analysis of membrane tank LNG carriers, calculation accuracy of longitudinal structure and space can be ensured. However, the researches of the transverse cofferdam have not been seriously considered, the results differ a lot from the equipment manufacture (e.g. GTT) of the membrane cofferdam system. This paper performs the temperature fi eld analysis of the transverse cofferdam of the membrane tank LNG caries, puts forward a simplified calculation method, and deduces a set of simplified functions of natural convection coef fi cient. By comparison with the results provided by GTT, the proposed method is testi fi ed to be feasible to ensure the suf fi cient calculation accuracy.

membrane tank LNG Carrier; transverse cofferdam; temperature fi eld; natural convection coef fi cient

U661.4

A

1001-9855（2014）03-0020-06

2013-08-22 ；

2013-09-28

吕立伟（1982-），男，工程师，主要从事船舶设计与研究工作。

吴嘉蒙（1976-），男，硕士，高级工程师，主要从事船舶设计与研究工作。

余勇华（1976-），男，工程师，主要从事技术管理工作。