邮轮管路系统两相流流动特性仿真分析

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430063)

邮轮在南北极地航行时，需要穿越恶劣的海域和冰层，除了要保证乘客的舒适度，邮轮动力系统的安全稳定性更是不可忽略的关键。海水是邮轮运行中最容易得到的冷却介质，在动力系统做功过程中，要通过大排量的离心泵抽取海水经海水冷却管路系统对邮轮辅机等设备进行冷却，以保证设备不会过热受损。而极地海水中大量的海冰颗粒随海水进入邮轮管路系统中时会形成海冰和水的两相流。当前，欧拉-欧拉模型和欧拉-拉格朗日模型是研究两相流流动特性的常用模型[1-5]。本文结合实验和FLUENT仿真来讨论两相流流经水平圆管的入口流速和入口含冰率对海冰浓度场和速度场的影响，揭示两相流入口参数对管路内两相流流动特性的影响。以期为减少管路冰堵，保证邮轮冷却管路系统稳定运行提供理论参考。

1 数学模型

设定海冰颗粒光滑非弹性，采用Euler-Euler模型[6]，将冰晶颗粒和海水全视为连续介质，通过建立连续介质的质量、动量和能量守恒控制方程来描述两相流的流动特点。

1.1 颗粒动力学理论

颗粒动力学理论中把固体颗粒作为致密气体分子处理，颗粒-颗粒碰撞引起的固体颗粒运动被假定为气体中分子的热运动，采用该理论对Euler-Euler模型的控制方程进行封闭，提出颗粒拟温度来描述固体颗粒的波动能量，其数学描述为

(1)

1.2 连续性方程

使用基于平均体积、不可压缩流的瞬态N-S方程描述海水和冰晶。2个阶段的连续性方程为

(2)

1.3 动量守恒方程

液相海水的动量守恒方程为

(3)

海冰颗粒的动量方程为

(4)

由颗粒流动力学理论推导出的固体压力用ps表示，Pa；τs为冰晶颗粒的应力张量。

1.4 能量守恒方程

(5)

2 仿真模型和实验方案

2.1 仿真模型

根据GB/T 151—2014中对热交换器管道标准的规定，确定水平圆管的外径为25 mm，管道内径为24 mm，壁厚为1 mm。考虑到要使两相流在管道计算流域内达到充分发展的状态，三维管道模型长度L与管径D之间需满足L≥60D的关系，设置管道长度为2.0 m，利用ICEM建立几何模型。网格划分采用六面体结构化网格。为减少计算时间又不影响仿真结果的准确性，在管道主流区网格单元设置相对稀松，贴近壁面区域则采用加密网格设置，用以更加清晰地捕获海水和海冰颗粒的流动特性。见图1。

图1 水平圆管三维网格示意

将加载在管道上的热流密度设置为恒定值3.34 kW/m2，入口含冰率由4%～30%。具体参数见表1。

2.2 实验方案

两相流流动与传热综合实验测试平台由海冰制取与储存系统、流动传热实验测试段和数据采集系统组成。其中实验测试段示意图见图2。

表1 海水管道参数表

在测试段前端的入口段长度为1.5 m，可减少前端管道弯头与入口段对测试的影响，以及确保两相流浆体在进入测试段时流动达到完全发展状态。测试段长1.5 m，出口段为0.5 m。实验过程中，由于海冰体积分数难以精确控制，因此将2%～6%、8%～12%、18%～22%、28%～32% 4组含冰率实验数据分别记为4%、10%、20%与30%。

图2 实验测试段示意

通过控制变量法调节入口流速和入口含冰率等参数，在测试段观察管道中两相流非等温流动情况及管道阻塞时流变与流阻变化规律。

3 仿真结果与实验结果对比分析

3.1 入口流速对海冰浓度场和速度场的影响

3.1.1 入口流速对海冰浓度场的影响

入口含冰率为10%的条件下，不同入口流速对冰晶浓度分布见图3。

图3 不同入口流速冰晶浓度分布

实验观察到：当入口速度设置为0.5 m/s时，冰晶基本都悬浮在管道中上部，海水的湍流扩散强度较弱，随着海冰颗粒的不断堆积，管道上层逐渐形成海冰移动床[6]。当入口速度从0.5 m/s上调至3.0 m/s时，可以看出海冰在管道顶部近壁面区域的浓度分布呈减少趋势，同时管道内壁圆周处的冰晶浓度也出现逐渐减少的现象。对比图3a)～f)可知，仿真结果与实验观察结果相吻合，并且速度越大这种现象越显著。

3.1.2 入口流速对海冰速度场的影响

海冰速度分布见图4。

图4 不同入口流速海冰速度分布

当入口流速为0.5 m/s和1.0 m/s时，海冰在管道贴近上壁面部位聚集严重。由速度传感器测量结果可知，上部冰晶的速度小于管道中心轴线的速度，且冰晶的最大速度偏离至管道中心轴线下部。当入口速度从1.5 m/s增加到3.0 m/s时，随着湍流强度的提升，使得最大速度偏离管道中轴线的偏离量逐渐减小，沿管道圆周呈现近乎对称分布的现象。云图和实测数据对比表明，流动过程中的海冰颗粒会呈现非均匀性分布的特点，使得海冰颗粒的速度沿管道横截面发生一定程度的偏转。文献[7]也报道了浆体在高入口速度下固相颗粒几乎呈均匀分布的类似趋势。

综合图3、4可知，提高管道入口两相流流速，有利于减弱海冰颗粒悬浮于管路上壁面的趋势[8]，减少移动床的堆积，促使海水-冰晶两相流的速度沿管道横截面呈对称分布。

3.2 入口含冰率对海冰浓度场和速度场的影响

3.2.1 入口含冰率对海冰浓度分布的影响

实验中观测到在入口流速一定的情况下，随着含冰率的增加，海冰在管内的分布呈现沿中轴线对称的趋势，含冰率越大，这种现象越明显。在入口含冰率达到30%时，海冰颗粒在管内的分布几乎呈完全对称分布状态。由仿真云图5所得结果相吻合。

图5 不同入口含冰率的海冰浓度分布

由于管道内径较小，海冰颗粒与管壁之间的碰撞以及海冰颗粒之间的偶发性碰撞概率会随含冰率的增加而增加，促进了海冰颗粒在管内的扩散；随着含冰率的增加，由于密度差而导致海冰颗粒悬浮的浮力与重力在垂直管壁方向上达到动态平衡，浮力的作用减弱。

3.2.2 入口含冰率对海冰速度场的影响

实验过程中由速度传感器所得到的流速可知，海冰速度的最大值出现在管路中心轴线上方。随着入口含冰率的增加，海冰沿管道截面速度的不对称性分布随之减小，进而呈现出更加对称的情况，与仿真结果一致。由图6可见，因为受到含冰率增加而导致的海冰颗粒数目增多的影响，使得海冰速度的最大值会随含冰率的增加而逐渐减小，对比图6c)和d)，可以看出含冰率为20%时的海冰最大速度高于30%含冰率的海冰速度。

图6 不同入口含冰率的海冰速度分布

4 结论

邮轮海水冷却管路系统冰堵的出现与两相流入口流速和入口含冰率紧密相关。实验观测和仿真结果具有高度的一致性。

1)实验发现，海冰移动床常见于两相流入口流速较小时发生。表现为管道顶部是移动床层，底部是不均匀的流动层。在这种情况下，会导致大量的冰晶颗粒聚集在管道上部，增加冰堵的风险。经反复观察，在10%的含冰率下，出现海冰移动床的临界入口流速为1.0 m/s。

2)邮轮海水冷却管路系统中海冰移动床出现的可能性会随入两相流口含冰率的增加和入口流速的减小而增加。移动床的出现还会导致管内流速发生分层现象，随着含冰率的增加，两相流最大流速会偏离管道中心轴线向下方移动，而随着入口流速的增大，最大速度逐步从中轴线下方回归到与中轴线相吻合的位置，海冰沿管道圆周呈现近乎对称分布。

3)仿真云图分析与实验现象对比表明，欧拉-欧拉模型耦合相间传质模型对两相流流动特性的分析是可行的。采用该方法模拟研究两相流流场变化特点，可减少模型实验成本，为管路系统的优化设计提供理论支撑。