李國隆，巨永林，傅允準

（1上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海200240；2上海工程技術大學機械工程學院，上海201620）

引 言

LNG船是天然氣貿易的重要運輸工具，隨著天然氣在全球能源消費中的比重不斷增長，國際能源市場對LNG運輸船的需求也將不斷增加。根據倫敦權威海運業(yè)咨詢公司克拉克森統計，2012年全球有超過40艘LNG船新訂單。商船三井認為未來10年LNG船需求將超過100艘。而LNG船是目前世界范圍內公認的高技術、高難度、高附加值的 “三高”船舶，目前只有美國、中國、韓國、日本和少數歐洲國家的幾家船廠能夠建造。中國是一個 “缺氣”的國家，而中國的天然氣消費總量卻以每年兩位數的速度增長，根據BP世界能源統計年鑒2014的數據，2013年中國的天然氣消費量為1616億立方米，較2012年增長了10.8%。巨大的天然氣缺口需要通過進口來填補，因此積極進行LNG船的技術研究對中國的未來發(fā)展有重要意義。

液貨圍護系統是LNG船的核心，LNG船圍護系統主要可分為薄膜型和獨立型。薄膜型圍護系統的典型代表為法國GTT公司設計的NO 96型和MarkⅢ型。這兩種類型的圍護系統技術已經很成熟，目前被廣泛采用。獨立型的典型代表為MOSS球型、SPB型和C型液貨艙。

LNG船的運載貨物為－162℃的LNG，航行過程中液貨與外界環(huán)境的溫差高達近190℃，因此圍護系統的絕熱性能非常重要。研究LNG船圍護系統與外界的換熱規(guī)律可以為設計和建造新的LNG船提供技術參考。國內外有關薄膜型圍護系統的研究比較多，相關學者［1－20］針對薄膜型圍護系統的主屏壁結構、絕熱板的低溫特性、膠黏劑的低溫特性、圍護系統的絕熱性能、圍護系統的溫度場等進行了理論和實驗研究。但是，由于目前獨立B型圍護系統的實船應用還不是很廣泛，相關研究的報道較少。

本項研究以一艘由滬東中華造船 （集團）有限公司最新設計的17萬立方米新型獨立B型LNG船為研究對象，表1所示為該船的設計主尺度，包括總長 （LOA）、垂線間長 （LBP）、型寬 （B）、型深 （D）、設計吃水 （d）和設計航速 （uship）。本文將新型獨立B型圍護系統與薄膜型和MOSS球型圍護系統進行對比，突出新型獨立B型液貨艙的優(yōu)點，說明該型圍護系統在將來建造新LNG船時的廣闊應用前景。針對這艘大型LNG船的一個典型液貨艙，提供了一種很全面地建立傳熱計算模型的方法，使用ANSYS Fluent軟件進行數值模擬計算，研究液貨艙蒸發(fā)率的變化規(guī)律。

表1 新型獨立B型LNG船的主尺度Table 1 Main dimensions of new independent type B LNG carrier

1 新型獨立B型圍護系統的特點

圖1所示為薄膜型LNG船的典型橫剖面圖，該型圍護系統為非自支撐型，絕熱層與船體內殼直接接觸，液貨艙的質量由絕熱層傳遞給內船殼，內船殼為整個液貨艙提供支撐。

圖2所示為MOSS獨立球型LNG船的典型橫剖面圖，MOSS型屬于B型獨立艙，為自支撐型，船體與液貨艙的結構分別獨立，液貨艙的質量由支撐結構傳遞給船殼。

圖3所示為本項研究所針對的新型獨立B型LNG船的典型橫剖面圖，其液貨艙為棱柱形，也是自支撐型，絕熱層的外表面與內船殼之間有一段檢測和維修空間。

與薄膜型系統相比較，新型獨立B型系統有以下特點。

（1）薄膜型系統的絕熱層是承重系統，絕熱層需承受液貨艙質量以及液貨晃動產生的沖擊力；而獨立型液貨艙由支撐結構支撐質量，絕熱層不是承重系統；因此，薄膜型系統的絕熱層結構比獨立型系統的絕熱層結構更加復雜。薄膜型系統絕熱層外側與內船殼通過具有黏性的樹脂繩粘接。內船殼本身是不平坦的，如果絕熱板安裝不平整，會導致主、次屏壁與絕熱板的粘接部位產生剝離應力［6］。

圖2 MOSS獨立球型LNG船典型橫剖面圖Fig.2 Typical transverse section plan of independent MOSS spherical type LNG carrier

圖3 新型獨立B型LNG船典型橫剖面圖Fig.3 Typical transverse section plan of new independent type B LNG carrier

而新型獨立B型圍護系統的液貨艙和絕熱層與船殼分離，不分擔船體強度，液貨艙和絕熱層的變形和溫度應力不會直接影響船體，因此新型獨立B型艙的絕熱層安裝更簡單。

（2）薄膜型系統中，MarkⅢ型系統的主屏壁為1.2mm的不銹鋼，NO 96型系統的主屏壁為0.7mm的Invar鋼膜，薄膜型的主屏壁都不具備強度在液貨艙內部安裝內部隔壁，因此薄膜型液艙內的晃蕩將非常明顯，使得圍護系統結構承受過度的載荷，從而容易引起液貨艙的疲勞。而新型獨立B型系統的液貨艙內部增加了分隔艙壁，有效抑制了晃蕩影響。

（3）新型獨立B型艙的絕熱層與內船殼之間留有一段可以容納維護人員進入的檢修通道，當液貨艙或者絕熱層出現破損等問題時，可以很方便地拆除絕熱層進行維修。而薄膜型系統的絕熱層封裝在內船殼與液貨艙之間，檢測和維修都很困難。

與同是獨立型系統的MOSS獨立球型相比較，新型獨立B型系統有以下特點。

（1）新型獨立B型的液貨艙為棱柱形，與船體形狀相稱，而球形艙與船形不相稱，因此造成球形艙對主甲板以下的空間利用效率很低，布置不如新型獨立B型艙緊湊，從而造成球形艙的船體尺寸比新型獨立B型船體要大很多。

（2）MOSS球型艙伸出主甲板之上部分的高度約為15m，新型獨立B型艙伸出主甲板之上部分的高度為7.7m，球形艙伸出部分過高導致船舶重心升高，影響船舶航行穩(wěn)定性。

（3）新型獨立B型艙的上甲板寬而平，可以布置裝卸貨物的管路等裝置，球形艙則很受限制。另外，伸出較少、寬而平的上甲板也減小了風阻，從而減少了功率損耗。

（4）由于球形艙伸出主甲板之上部分的高度太高，遮擋了更多船舶駕駛控制臺的視線，也會一定程度影響到船舶的航行。

從上面的對比中可得，新型獨立B型圍護系統相對于薄膜型系統和MOSS型系統都有其突出的優(yōu)點，隨著一些關鍵技術問題得到解決，該型圍護系統在將來建造新LNG船時將有很廣闊的應用前景。這些關鍵技術問題包括：船型研究、圍護系統結構強度、晃蕩研究、圍護系統操作與維護、絕熱材料研制、絕熱層安裝等內容。

2 液貨艙蒸發(fā)率的數值模擬計算

2.1 圍護系統傳熱模型

LNG船航行過程中，低溫液貨與外界環(huán)境之間通過圍護系統和船體進行熱量傳遞，如圖4所示，水線以下的船體外殼與海水之間存在對流換熱；水線以上的船體外殼及甲板則與空氣之間存在對流換熱，同時吸收陽光的輻射熱量。船舶外殼與內殼之間的各個分隔艙室中為空氣自然對流傳熱；絕熱層外側與船體內殼之間的檢修通道中也為空氣自然對流傳熱。而在絕熱層和支撐結構中則是純導熱。

圖4 新型獨立B型艙的傳熱模型Fig.4 Heat transfer model for new independent type B tank

在本項研究中，選取新型獨立B型LNG船的4個獨立艙中的一個作為研究對象，該艙所處的位置為80號站位至95號站位之間。為了減少數值模擬計算的計算量，根據船舶設計資料圖紙，考慮到液貨艙的對稱性，選取1／4艙模型進行數值計算，所建的模型如圖5所示。所選取的液貨艙的滿載艙容 （Vtank）為49657m3，充裝率 （η）為98%。

圖5 新型獨立B型艙三維模型Fig.5 3Dmodel of new independent type B tank

2.2 對流傳熱系數計算

在圍護系統的傳熱計算模型中，外邊界上存在船殼與流體的對流換熱，在船殼層各個封閉艙室和絕熱層外的檢修通道中則存在空氣自然對流，因而準確地計算對流傳熱系數是圍護系統傳熱計算的關鍵，工程應用中使用實驗關聯式計算傳熱系數。

2.2.1 封閉艙室和檢修通道內自然對流傳熱系數

在計算中，封閉艙室和檢修通道按照有限空間內的自然對流來處理，計算出以夾層二壁面的溫差（ΔT）定義的自然對流傳熱系數 （hδ）或者計算出考慮夾層流體導熱和對流換熱綜合影響的等效熱導率 （keff）。根據傳熱學［21］，流過厚度為δ的夾層的總的熱通量 （q″）可表達為

描述夾層中自然對流的特征數為Nusselt數（Nuδ）和 Rayleigh數 （Raδ）

針對豎直夾層，推薦使用以下實驗關聯式計算Nusselt數

針對水平夾層，推薦使用以下關聯式

2.2.2 外邊界上船殼與流體對流傳熱系數 計算流體與船殼的對流傳熱系數時，按照流體縱掠平壁時的湍流強迫對流傳熱來處理。描述強迫對流的特征數為Nusselt數 （NuL）和Reynolds數 （ReL），計算特征數時使用船舶主尺度水線長 （LWL）和總長 （LOA）作為特征尺寸。

計算船殼與海水的對流傳熱系數 （hwater）時推薦使用以下關聯式計算

計算船殼與空氣的對流傳熱系數 （hair）時推薦使用以下關聯式計算

2.3 其他參數及日蒸發(fā)率計算公式

支撐結構分為兩段，與液貨艙連接的一段為層壓木，與船體連接的一段為低碳鋼。蒸發(fā)率計算中，除了對流傳熱系數以外，還需要的其他材料和液化天然氣的熱物性參數包括船體外板的輻射率 （ε）、層壓木的熱導率 （kwood）、低碳鋼的熱導率 （ksteel）、LNG的汽化潛熱 （γLNG）和密度 （ρLNG）見表2。

表2 其他材料熱物性參數Table 2 Other thermo－physical properties of materials

計算得到液貨艙的總漏熱量 （Q），即可使用式 （11）計算出液貨艙的日蒸發(fā)率 （BOR）

2.4 計算工況

根據有關LNG船舶航行的國際規(guī)范和船舶的航行特點，選取以下3個工況進行計算，其中工況1為國際海事組織規(guī)定的液化氣體船舶正常營運的最高環(huán)境設計溫度。計算工況的定義中包括空氣溫度 （Tair）、海水溫度 （Twater）、風速 （uwind）和海水流速 （uwater）。計算工況見表3。

表3 計算工況Table 3 Description of working conditions of LNG carrier

新型獨立B型LNG船采用450mm厚的增強型硬質聚氨酯泡沫 （RPUF）作為絕熱材料。絕熱材料是整個圍護系統的核心，熱導率是衡量RPUF的絕熱性能的指標。根據已有的RPUF的熱導率數據［9］，在－160～20℃溫度范圍內，聚氨酯泡沫的熱導率變化范圍大致為0.02～0.04W·m－1·K－1，為了研究RPUF熱導率變化對蒸發(fā)率的影響，本計算例中，每個計算工況下，都選取以下5個RPUF的熱導率數值進行計算：0.02、0.025、0.03、0.035、0.04。

2.5 建立計算模型與劃分網格

根據實船的設計圖紙與數據資料，使用CAD軟件建立圍護系統1／4艙的三維模型，然后將三維模型導入ANSYS ICEM CFD軟件中進行網格劃分。因為船艙系統模型的結構比較復雜，所以使用非結構化網格。由于可預測到絕熱層里面的溫度梯度會遠遠大于其他計算域里的溫度梯度，應當對絕熱層區(qū)域里的網格進行加密處理，以保證計算的精度，網格劃分結果如圖6所示。

圖6 傳熱模擬計算網格劃分結果Fig.6 Mesh for heat transfer simulation

2.6 Fluent軟件模擬計算的邊界條件設置及求解器設置

由于本計算例只考慮穩(wěn)態(tài)傳熱問題，所以在Fluent軟件中選用基于壓力的穩(wěn)態(tài)求解器進行求解。打開能量方程，輸入各個通過關聯式計算所得的或是已知的各計算域的材料物性參數，設置邊界條件后進行求解計算。

邊界條件設置為：（1）水線以下的船殼上為對流換熱壁面，需要給定傳熱系數和海水溫度；（2）水線以上的船殼上為外部輻射換熱和對流換熱結合的混合壁面條件，需要給定傳熱系數、空氣溫度、輻射率和輻射溫度；（3）橫艙壁上的邊界條件假定為恒溫壁面條件，不同計算工況時橫艙壁溫度（TBHD）取值為工況1時取30℃，工況2時?。?℃，工況3時?。?5℃； （4）液貨艙內側與LNG直接接觸，為恒溫壁面，溫度為－162℃；（5）兩個對稱面設置為對稱邊界條件。

在Fluent軟件計算過程中，為了觀察計算的收斂情況，應在計算過程中監(jiān)測計算殘差的變化情況，其次，應在Fluent計算模型內任意定義若干位置點，在計算過程中監(jiān)測這些位置點上的溫度值隨迭代時間步的變化情況，當計算殘差小于指定標準并且所有位置點上的溫度都達到定常狀態(tài)時，即可認為計算已經收斂。

2.7 蒸發(fā)率計算結果

圖7所示為不同工況下液貨艙的日蒸發(fā)率隨聚氨酯絕熱材料熱導率的變化情況。從計算結果可得：絕熱層熱導率對液貨艙蒸發(fā)率的影響很大，為了滿足在絕熱層厚度為450mm和在最高營運環(huán)境溫度 （工況1）條件下日蒸發(fā)率不能超過0.1%的限定要求，所選用的聚氨酯泡沫絕熱材料的熱導率應當小于或等于0.03W·m－1·K－1。

圖7 蒸發(fā)率計算結果Fig.7 BOR calculation results

3 結 論

（1）通過將新型獨立B型圍護系統與傳統的薄膜型和MOSS球型圍護系統在絕熱層結構與安裝、晃蕩特性、檢測與維修、貨艙布置、甲板空間利用和航行穩(wěn)定性等方面進行對比，突出了新型獨立B型艙的優(yōu)勢，說明該艙型在將來有很好的應用前景。

（2）通過對船體結構和艙室進行合理簡化后，提供了一種計算液貨艙換熱的方法，包括建立模型、計算有關參數、數值模擬的方法，并通過一個計算例驗證了該方法的可行性。

（3）從數值模擬計算的結果可得，絕熱層厚度為450mm時，為了滿足日蒸發(fā)率不能超過0.1%的限定要求，所選用的聚氨酯泡沫絕熱材料的熱導率應當小于或等于0.03W·m－1·K－1。

符 號 說 明

B——船舶型寬，m

BOR——日蒸發(fā)率，%

D——船舶型深，m

d——船舶吃水，m

g——重力加速度，m·s－2

H——夾層高度，m

hair，hwater——分別為船體與空氣、海水的對流傳熱系數，W·m－1·K－1

hδ——以夾層二壁面的溫差ΔT定義的封閉夾層自然對流傳熱系數，W·m－2·K－1

kair，kwater，ksteel，kwood——分別為干空氣、海水、低碳鋼、層壓木的熱導率，W·m－1·K－1

keff——封閉夾層中，考慮夾層流體導熱和自然對流換熱綜合影響的等效熱導率，W·m－1·K－1

LBP，LOA，LWL——分別為垂線間長、總長、水線長，m

Nuδ——以夾層寬度為特征尺寸的Nusselt數

NuL，1，NuL，2——分別為以船舶水線長、總長為特征尺寸的Nusselt數

Prair，Prwater—— 分 別 為 干 空 氣、 海 水 的Prandtl數

Q——液貨艙總漏熱量，W

q″——熱通量，W·m－2

Raδ——夾層寬度為特征尺寸的Rayleigh數

ReL，1，ReL，2——分別為以船舶水線長、總長為特征尺寸的Reynolds數

Tair，Twater，TBHD——分別為空氣、海水、橫艙壁溫度，℃

ΔT——夾層兩壁面溫差，℃

uship，uwater，uwind——分別為船速、海水流速、風速，knots

Vtank——液貨艙單罐滿載容積，m3

β——干空氣體積膨脹系數，K－1

γLNG——LNG的汽化潛熱，kJ·kg－1

δ——夾層寬度，m

ε——船體外板的輻射率

η——液貨艙充裝率，%

νair，νwater——分別為干空氣、海水運動黏度，m2·s

ρLNG——LNG的密度，kg·m－3

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