复杂船舶围壁传热系数取值探讨

李伟光，李安邦，徐新华，张扬，谢军龙

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 2华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074

复杂船舶围壁传热系数取值探讨

李伟光1，李安邦2，徐新华2，张扬1，谢军龙2

1中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064 2华中科技大学环境科学与工程学院，湖北武汉430074

采用数值模拟软件对几种复杂船舶围壁进行稳态传热计算，并将计算所得围壁传热系数与相关标准提供的计算值进行对比。结果表明，采用数值方法计算得到的复杂船舶围壁传热系数与相关标准提供的参考值相比差异很大。计算结果也表明：空气层厚度对船舶甲板围壁的传热系数影响较大，而对垂直围壁的传热系数影响较小；隔热材料的导热系数对垂直围壁的传热系数影响较大，而对甲板围壁传热系数的影响较小。相关标准直接笼统地给出了各种类型船舶围壁的传热系数，而对围壁空气层厚度及隔热材料导热系数等未作详细说明，在对围壁传热量进行计算时采用标准推荐的传热系数会出现较大偏差，建议针对具体的船舶围壁，通过数值模拟或实验来获取围壁传热系数。

船舶；围壁；数值计算；传热系数

0 引 言

当今世界，能源问题已成为各个国家密切关注的问题，上世纪的3次石油危机对西方国家经济的严重冲击引发了世界各国对能源问题的警醒，各种与节能减排相关的法律法规及发展策略陆续出台。实施节能减排是顺应时代发展趋势、符合我国可持续发展战略的一项必要举措。《船舶工业“十二五”发展规划》中的数据显示：2010年我国造船完工量为6 560万载重吨，跃居世界第一，国际市场占有率达43.6%，完成工业增加值1 662亿元，增加值占工业总产值的比重达24%。要想在激烈的国际竞争中获得长久的胜利，就必须进一步提高我国的造船技术，而在国际能源供应紧张、环境问题日趋严重的大背景下，高效的船舶节能技术是增强船舶核心竞争力的一个重要因素。

船舶空调系统的能耗是整个船舶能耗的一个重要部分，降低空调系统的能耗是实现船舶节能减排的一项重要途径。船舶空调系统的能耗主要为空调系统在消除舱室内冷、热负荷，维持舱内温度所需消耗的能量，准确的空调负荷计算是设备合理选型并实现空调系统节能的关键。计算船舶空调负荷时，通过船舶围壁传入室内的热量与围壁的传热系数近似成正比，因此，选取准确的船舶围壁传热系数至关重要。文献［1］介绍了船舶围壁传热系数的简化算法，该算法是将带有梁（扶强材）的甲板或垂直舱壁看成是带有肋片的传热面来计算其传热系数，并在计算船舶围壁隔热结构时将空气层中的对流换热简化成已知对流换热系数的边界条件，同时忽略空气的热阻。目前，在实际工程计算中，为更简便、快速地确定船舶围壁的传热系数，一般直接参考 GB/T 13409-92［2］中的推荐值。但该标准仅给出了各类船舶围壁的传热系数，并没有对船舶围壁的尺寸、空气层厚度以及绝热材料的物理特性参数等作详细说明，而这些因素均对船舶围壁的传热有影响。

数值模拟方法是通过计算机上虚拟的实验平台进行仿真实验并获取“实验数据”，用数值模拟代替真实的实验可以极大地提高工作效率、降低成本。文献［3-6］针对传热分析问题，将真实的实验数据与数值模拟得出的数据进行对比，发现采用数值模拟方法得出的结果具有较高的可信度。文献［7］建立了内嵌管式辐射地板的二维数值模型，其采用数值模拟方法获取的结果验证了内嵌管式辐射地板传热简化计算模型的正确性。文献［8］建立了U形地埋管换热器的三维数值模型（采用FLUENT），把数值解分别与解析解以及TRNSYS中的DST模型进行对比，得出利用数值模型的瞬时传热模拟结果具有较高的精确度。本文将采用数值模拟方法对复杂船舶围壁进行稳态的传热模拟计算，研究空气层厚度、绝热材料导热系数对船舶围壁传热的影响，并与GB/T 13409-92［2］中提供的船舶传热系数进行对比分析。

1 相关国家标准中复杂船舶围壁传热系数取值

GB/T 13409-92［2］中列出了不同船舶围壁（甲板、垂直舱壁）隔热结构的传热系数（包括围壁内、外表面与空气的传热）计算值，以供参考。本文摘取了其中比较典型的几种隔热结构，并将其各自的结构形式、绝热材料和传热系数列入表1，绝热材料的热物理特性参数如表2所示。由表1可以看出，GB/T 13409-92［2］中没有对船舶围壁隔热结构的具体尺寸和空气层厚度进行说明，由表2可以看出，对于岩棉这种隔热材料，不同密度对应的导热系数也有差别，而表1中却没有指明隔热结构所用的岩棉参数。

2 复杂船舶围壁传热数值模拟方法

2.1 物理模型及边界条件

FLUENT是个功能强大、应用广泛的有限体积法数值计算软件，可用于涉及流体、热传递等工程问题的计算分析。本文采用FLUENT软件对复杂船舶围壁进行了稳态传热模拟，计算内容包括固体（甲板、隔热材料等）导热与气体（空气层）自然对流换热2部分，而对于此类对流与导热耦合问题，已有不少文献运用数值方法进行过求解并获得了较好的计算结果［9-10］。研究的物理模型如图1所示，其围壁内、外表面换热系数分别为8 W/（m2·℃）和80 W/（m2·℃）［2］，舱外空气温度To=40℃，舱内温度为Tin=26℃，并将围壁的空气夹层看作封闭的空腔，整个模型的左、右边界均为绝热面。模型隔热材料的厚度为δ、内壁厚度为δ*，空气层厚度为L，这3个参数将作为变量讨论船舶围壁的传热。其余尺寸采用常用的参数（单位为mm）并在图1中给出。

图1 船舶围壁物理模型Fig.1 Physical model of ship casing walls

表1 GB/T 13409-92［2］中船舶隔热结构传热系数取值Tab.1 Heat transfer coefficients of ship insulation structure provided by GB/T 13409-92［2］

表2 围壁材料的热物理特性参数Tab.2 Material physical parameters of ship casing walls

2.2 控制方程及数值计算模型

对固体区域，采用二维导热方程，如式（1）所示。气体区域的连续性方程、动量方程及能量方程如式（2）～式（5）所示。对动量方程，在 x方向如式（3）所示，在 y方向考虑浮力的影响如式（4）所示。

式中：Τ为温度；u，v分别为速度在x，y方向上的分量；ρ为空气密度；μ为空气动力粘性系数；λ为空气导热系数；cp为空气定压比热；g为重力加速度。

空气层内的空气处于自然对流状态，可通过将空气密度设定为关于温度的函数来求解，但对于计算域内空气密度变化较小（温差较小）的情况，运用Boussinesq假设可以加快收敛［11］。Boussinesq假设一般适用于空气介质温差在30℃以内的自然对流问题［12］，该假设忽略了流体中的粘性耗散，物理特性参数中除密度外其余均为常数，且密度的变化仅考虑了动量方程中的浮升力项，其余各项中的密度均视为常数［13］。已有很多文献采用Boussinesq假设研究过空腔内气体的自然对流问题。文献［14］在用FLUENT软件对封闭空腔内的空气自然对流进行模拟时采用Boussinesq假设，得出了很准确的计算结果。文献［15］通过对封闭方腔内自然对流问题的数值模拟，验证了Boussinesq假设在计算20℃的小温差自然对流换热时是合理的。本文进行数值模拟的船舶围壁内空气层的表面温差不超过20℃，因此，可以采用Boussinesq假设，即重力方向上的动量方程中的浮升力项ρβ(T-T0)g是关于温度T的线性函数。

通过GAMBIT软件建立不同的船舶围壁模型并进行网格划分（采用结构型均匀网格）。在FLUENT中设置空气的密度时选中Boussinesq假设，空气的膨胀系数 β0=0.003 23 K-1，参考温度T0=33℃（取围壁外表面温度和内表面温度的平均值），压力—速度耦合方程用SIMPLE算法，动量、能量方程选择二阶迎风格式，对流扩散采用QUICK模式，用式（6）计算瑞利数 Ra，如果 Ra＞108就使用k-ε模型，如果 Ra＜108就使用层流模型。改变船舶围壁的空气层厚度（150，200 mm）和围壁隔热材料，通过FLUENT软件模拟计算得出了表1中所列的船舶围壁的温度分布以及传热量，并可直接计算传热系数。图2所示为空气层厚度为150 mm、岩棉的导热系数为0.045 W/（m·℃）的B围壁（甲板围壁）的温度分布；图3所示为空气层厚度为150mm、岩棉的导热系数为0.045W/（m·℃）的E围壁（垂直围壁）的温度分布。

式中：ΔT为空气层上、下壁面的温差；L为空气层厚度；α为热扩散率。

图2 B围壁温度云图Fig.2 Temperature contours of casing wall B

图3 E围壁温度云图Fig.3 Temperature contours of casing wall E

3 结果比较及分析

3.1 空气层厚度对甲板传热的影响

表3所示为各种船舶围壁在空气层厚度为150，200 mm情况下的传热系数计算结果。从表中可以看出，无论哪种围壁，GB/T 13409-92［2］推荐的船舶围壁传热系数与数值模拟计算出的传热系数均相差很大，前者甚至是后者的几倍。按照GB/T 13409-92［2］推荐的传热系数进行取值并进行负荷计算很保守。同时，表3也表明空气层厚度对甲板（即水平方向）围壁传热系数的影响很明显，而对垂直围壁传热系数的影响则几乎可以忽略。垂直围壁的传热系数普遍比甲板传热系数大几倍，尤其是B，E两种围壁，其尺寸以及保温材料均相同，但传热系数却相差很大。这主要是因为空气层的传热热阻不仅与其厚度有关，还与空气层中的自然对流强弱有关，而这两种围壁空气层中自然对流换热的强弱又有较大的差异。从自然对流产生的机理进行分析，因空气层内的气体内部存在温度差，使得气体内部的密度也出现差异，密度小的气体上升，密度大的气体下沉，从而形成自然对流［16］。对于甲板围壁，其上侧的温度高于下侧温度，使得空气层内上侧的空气密度小于下侧的空气密度，因此几乎不产生自然对流。而垂直围壁因左、右两侧存在温度差，冷面附近的空气遇冷会下沉，热面附近的空气受浮力的作用会上升，从而形成空气的自然对流并通过空气的循环运动加强换热。因此，垂直围壁的传热系数一般会明显大于甲板围壁的传热系数。

3.2 隔热材料导热系数对甲板传热的影响

表4所示为A，E两种船舶围壁在几组不同岩棉导热系数（密度）情况下的传热系数计算结果。由表4的结果可以看出，对于A，E两种围壁，所使用隔热材料（岩棉）的导热系数对围壁传热系数存在一定的影响，并且隔热材料导热系数对E围壁（垂直围壁）的影响比对A围壁（甲板围壁）的更为明显一些。例如：表 4中 A围壁在 λ岩棉=0.045，0.038 W/（m·℃）两种情况下的传热系数相差2.6%，E型围壁在λ岩棉=0.045，0.038 W/（m·℃）两种情况的传热系数相差11.8%。由第3.1节的分析可知，水平围壁（甲板）内空气层中几乎无自然对流，因而可近似看成纯导热，而垂直围壁内空气层中的自然对流换热很明显，改变隔热材料部分的导热热阻会改变空气层边界的温度，从而影响空气层内自然对流换热的强弱。此外，垂直围壁的总热阻一般较水平围壁（甲板）的总热阻小，更换不同导热系数的岩棉（改变隔热材料部分的导热热阻）对总热阻值较小的垂直围壁的影响要更明显一些。

表3 不同空气层厚度对应的船舶围壁传热系数Tab.3 Heat transfer coefficients of ship casing walls with different air layer thicknesses

表4 不同导热系数的隔热材料（岩棉）对应的船舶围壁传热系数Tab.4 Heat transfer coefficients of ship casing walls with different insulations of various thermal conductivity

4 结 语

本文采用数值模拟软件对多种船舶复杂围壁进行了稳态的传热模拟并获得了围壁的总传热系数，而有关国家标准推荐的船舶围壁传热系数与数值模拟得出的传热系数则相差很大，该标准推荐的围壁传热系数偏差较大。另外，该标准在给出某一种船舶围壁的总传热系数时也未对该种船舶围壁的空气层厚度、隔热材料热物理特性参数等给予具体的说明。本文通过模拟计算发现，空气层厚度对甲板围壁传热系数的影响比较明显而对垂直围壁传热系数的影响很小，隔热材料的导热系数对垂直围壁传热系数的影响比较明显而对甲板围壁传热系数的影响很小。因此，在选取船舶围壁传热系数时，应充分考虑船舶围壁空气层厚度和隔热材料导热系数对围壁传热系数的影响。采用标准中推荐的船舶围壁传热系数计算围壁传热量来进行空调设备选型会过于保守，建议采用数值模拟计算围壁的传热系数来计算围壁的传热量。

［1］船舶设计实用手册冷藏通风编写组.船舶设计实用手册冷藏通风分册［M］.北京：国防工业出版社，1975.

［2］中华人民共和国国家技术监督局.GB/T 13409-92船舶起居处所空气调节与通风设计参数和计算方法［S］.北京：中国标准出版社，1992.

［3］ESEN H，INALLI M，ESEN M.Numerical and experimental analysis of a horizontal ground-coupled heat pump system［J］.Building and Environment，2007，42（3）：1126-1134.

［4］WU Y P，GAN G H，VERHOEF A，et al.Experimental measurement and numerical simulation of horizon-tal-coupled slinky ground source heat exchangers［J］.AppliedThermalEngineering， 2010， 30 （16） ：2574-2583.

［5］FLORIDES G A，CHRISTODOULIDES P，POULOUPATIS P.Single and double U-tube ground heat exchangers in multiple-layer substrates［J］.Applied Energy，2013 ，102：364-373.

［6］GANG W J，WANG J.Predictive ANN models of ground heat exchanger for the control of hybrid ground source heat pump systems［J］.Applied Energy，2013，112：146-1153.

［7］胡孟娣，彭钦磊.内嵌管式辐射地板传热简化模型研究［J］.建筑科学，2012，28（6）：106-109.

HU Mengdi，PENG Qinlei.Development of simplified thermal model of pipe-embedded radiant floors［J］.Building Science，2012，28（6）：106-109.

［8］李大鹏，廖胜明.U形地埋管换热器的三维数值模拟及传热分析［J］.暖通空调，2008，38（12）：14-17.

LI Dapeng，LIAO Shengming.Three-dimensional numericalsimulation and heattransferanalysis for U-tube ground heatexchangers［J］.Journalof HV&AC，2008，38（12）：14-17.

［9］王晓璐，黄大宇，孙昆峰.周期性非稳态条件下多孔砖、空心砖传热影响因素的数值计算与研究［J］.工程热物理学报，2008，29（5）：841-844.

WANG Xiaolu，HUANG Dayu，SUN Kunfeng.Numerical study for the heat transfer performance of porous and hollow brick under the periodical boundary conditions［J］.JournalofEngineering Thermophysics，2008，29（5）：841-844.

［10］连小鑫，刘金祥，陈晓春，等.垂直U型地埋管换热器的数值模拟分析［J］.太阳能学报，2012，33（1）：48-55.

LIAN Xiaoxin，LIU Jinxiang，CHEN Xiaochun，et al.Numerica simulation analysis on vertical U-tube underground heat exchanger［J］.Acta Energiae Solaris Sinica，2012，33（1）：48-55.

［11］李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战［M］.北京：人民邮电出版社，2011.

［12］PAILLERE H，VIOZAT C，KUMBARO A，et al.Comparison of low Mach number models for natural convection problems［J］.Heat and Mass Transfer，2000，36（6）：567-573.

［13］陶文铨.数值传热学［M］.第2版.西安：西安交通大学出版社，2005.

［14］李世武，熊莉芳.封闭方腔自然对流换热的研究［J］.工业加热，2007，36（3）：10-13.

LI Shiwu，XIONG Lifang.Study of natural convection in closed a square cavity［J］.Industrial Heating，2007，36（3）：10-13.

［15］杨钰，贾宝山.方腔内20～720 K温差下自然对流变物性模型［J］.清华大学学报，2003，43（12）：1597-1600.

YANG Yu，JIA Baoshan.Variable property model for natural convection in a square cavity with temperature differences of 20～720 K［J］.Journal of Tsinghua University（Science and Technology），2003，43（12）：1597-1600.

［16］章熙民，任泽霈，梅飞鸣.传热学［M］.第5版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

Heat Transfer Coefficient of Complex Ship Casing Walls

LI Weiguang1，LI Anbang2，XU Xinhua2，ZHANG Yang1，XIE Junlong2

1 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China 2 School of Environmental Science&Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

In this paper，the steady heat transfer characteristics of complex ship casing walls are calculated via numerical simulation softwares，and the obtained heat transfer coefficients are compared with relevant standards.Large differences are observed between the two sets of coefficients.On the one hand，simulation results indicate that the thickness of the air layer may greatly influence the heat transfer coefficient of decks（horizontal walls），while such obvious influence is not observed for vertical walls；moreover，the thermal conductivity of the insulation material has far more influences on the heat transfer coefficient of vertical walls than decks（horizontal walls）.On the other hand，such information is not described in detail in the standard，and as a result，using the coefficients provided by the standard can lead to large margin of error when studying the heat transfer properties of ship casing walls.In short，the numerical simulation approach is seen to be more robust and reliable.

ship；casing wall；numerical simulation；heat transfer coefficient

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.014

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.014.html

U664.5+1

A

1673－3185（2014）02－78－06

期刊网址：www.ship-research.com

2013－06－16 网络出版时间：2014-3-31 16:33

国家自然科学基金资助项目（51178201）；教育部高等学校博士点专项基金资助项目（20120142110078）

李伟光（1982－），男，硕士，工程师。研究方向：船舶辅助系统。E-mail：lwgabe＠gmail.com

徐新华（1972－），男，博士，教授。研究方向：围护结构热湿特性，空调系统模拟与控制。E-mail：bexhxu＠hust.edu.cn

李伟光

［责任编辑：卢圣芳］