船舶围壁空气层自然对流对传热系数的影响分析

李伟光 李安邦 施红梅 徐新华 谢军龙

船舶围壁空气层自然对流对传热系数的影响分析

李伟光1李安邦2施红梅1徐新华2谢军龙2

1中国舰船研究设计中心
2华中科技大学建筑环境与设备工程系

本文采用数值模拟软件对不同室内外温度条件下的船舶水平及垂直围壁稳态传热进行模拟计算。结果表明水平围壁在冬季和夏季的传热系数存在明显的差异，而且冬季的传热系数要比夏季的传热系数大的多，这主要是水平空气层在冬季的自然对流比夏季的自然对流强烈。垂直围壁冬季和夏季传热系数的差异很小。结果也表明同一季节的室内外温差的变化对围壁传热系数的影响均很小。因此在计算船舶空调负荷时，水平围壁传热系数取值应对冬季和夏季予以区分而垂直围壁的传热系数选取不需区分冬季和夏季。

船舶围壁自然对流数值计算传热系数

0引言

近几十年来，随着我国船舶行业发展，船舶行业总体能耗也随之增大，在国家大力发展节能减排技术的政策背景下，研究船舶节能技术具有很大的现实意义。船舶空调系统是船舶主要的耗能设施之一，万吨级以上远洋船舶空调系统能耗约占船舶总能耗的近1/3[1]。在船舶空调系统设计中，往往由于对舱室内空调负荷的保守计算（甚至是估算）导致空调设备选型偏大，既加大了初投资也造成了运行过程中能量的浪费，因此获得正确船舶舱室空调负荷是提高船舶空调系统经济性和实现空调系统节能的前提。

船舶舱室一般采用稳态的方法计算空调冷热负荷。船舶围壁传热产生的空调负荷与船舶围壁的传热系数成正比，其取值直接影响到舱室空调负荷计算结果。船舶围壁结构包括钢板、梁（扶材）、隔热保温层、装饰板，其中隔热保温层与装饰板之间存在一定厚度的空气层。船舶围壁空气层在温差（密度差）的驱动下会产生自然对流从而强化换热，不同温度条件下的自然对流换热强度会有差异[2]。

目前船舶空调负荷计算时围壁传热系数的选取一般参考文献[3～4]。文献中提供的船舶围壁传热系数简化算法以及传热系数参考值均没有考虑船体围壁空气层自然对流对船舶围壁传热系数的影响。本文采用数值模拟方法对船舶围壁进行稳态传热模拟，对比分析在不同温度条件（自然对流强度）下船舶围壁传热系数的差异。

1船舶围壁传热数值模拟方法

1.1物理模型以及边界条件

船舶围壁按几何位置可以分为水平（甲板）围壁和垂直围壁两种。文献[4]中列举了多种不同隔热材料、尺寸的船舶围壁隔热结构形式，本文摘取其中典型的一种有空气层的隔热结构形式进行分析研究。该种隔热结构组成及尺寸（单位：mm）见图1，各部分材料的物性参数见表1。由于水平围壁中空气层主要的自然对流运动方向为空气层厚度方向，围壁的长度对自然对流的影很小可以忽略，而垂直围壁中空气层自然对流的主要运动方向为空气层高度方向，围壁的高度对自然对流的影响较大须考虑[2]。因此选取结构如图1所示的750mm长度（水平围壁的梁间距为750mm）的水平围壁、3000mm高度的垂直围壁（一般舱室的高度为2600mm到3000mm）作为船舶围壁传热的物理模型。船舶围壁内外表面与空气的对流换热系数分别为8W/(m2·K)与80W/(m2·K)，夏季舱室内空气温度为27℃，冬季舱室内空气温度为22℃[4]，夏季舱室外空气温度取30～65℃（下文中将通过改变舱室外的空气温度来分析船舶围壁的传热系数变化），冬季舱室外空气温度取-16～19℃。水平（垂直）围壁物理模型的左右（上下）两侧壁面均视作绝热面。FLUENT软件是一款基于有限体积法的数值计算软件，在求解流-固耦合传热问题方面已有较多的应用[5～7]。有空气层的船舶围壁传热是典型的流-固耦合传热问题，本文采用FLUENT软件对船舶围壁进行稳态传热模拟。

图1一种有空气层的船舶围壁隔热结构

表1隔热结构各部分材料的热物性参数

1.2控制方程及数值计算模型

运用质量守恒定律、牛顿第二定律以及热力学第一定律可以建立关于围壁传热的一系列控制方程：固体区域的二维导热微分方程，气体区域的二维连续性方程、动量方程及能量守恒方程。本文采用Boussinesq假设忽略流体中粘性耗散，除动量方程中浮升力项考虑密度的变化外，其余各项中密度以及其它物性参数均看作用常数[8]。其中气体区域x、y方向上的动量方程分别如式（1）、（2），式（2）中ρβ(T-T0)g为基于Boussinesq假设的浮升力项，式（3）为空气层自然对流的瑞利数。

式中：T为温度变量；T0是参考温度；u、v分别是速度在x、y方向上的分量；μ是空气动力粘性系数；λ是空气导热系数；cρ是空气定压比热；ρ是空气密度；β为空气的热膨胀系数；g为重力加速度；△T为空气层上下壁面的温差；L为空气层的厚度；α为热扩散率。

在FLUENT中求解时，压力一速度耦合方程采用SIMPLE算法，动量、能量方程选择二阶迎风格式。由式（3）计算出本文所研究的空气层自然对流的瑞利数Ra均小于108，因此使用层流模型。改变船舶室内外的空气温度（室内空气温度恒定），通过FLUENT软件模拟计算得出不同室内外温差下船舶围壁的温度分布、传热量及传热系数。

2结果比较分析

2.1水平围壁

表2为水平围壁在不同室内外空气温差下的传热系数计算结果。在相同大小的室内外温差下水平围壁在冬季的传热系数比夏季的传热系数大很多，前者甚至是后者的几倍之多。夏季水平围壁的空气层冷面在下方而热面在上方，空气直接分层，自然对流很弱，空气层的传热过程可近似地看做纯导热[2]。夏季水平围壁的温度分布云图如图2所示。冬天水平围壁的冷面在上方而热面在下方，下方靠近热面的空气在浮升力的作用下上升，上方靠近冷面的空气被冷却而下降，这样就形成了在封闭的空气层内循环的自然对流，对流换热大大地减少了空气层部分的传热热阻，因此水平围壁在冬天的换热系数一般要比夏天的换热系数要大很多。冬季水平围壁的温度分布云图如图3所示。

表2不同室内外空气温度差下的水平船舶围壁传热系数

图2夏季水平围壁的温度分布云图（室内外温差18℃）

图3冬季水平围壁的温度分布云图（室内外温差-18℃）

表2还表明，改变冬夏季室内外温差大小对水平围壁的传热系数的影响均很小。夏季水平围内空气层的传热方式为导热，改变温差对围壁内空气层的导热热阻的几乎没有影响，因此夏季室内外温差的变化对船舶围壁的传热系数影响很小。冬季水平围壁内空气层自然对流换热较大程度地减小了空气层热阻，使得空气层部分的热阻相比隔热材料等其它部分的热阻小很多。空气层上下壁面的温差占整个室内外温差的比例很小，因此当室内外温差有较大的变化时，空气层上下壁面的温差其实变化很小从而对流换热的强度的改变也不明显，因此冬天室内外温差的变化对船舶围壁的传热系数的影响很小。

2.2垂直围壁

表3为垂直船舶围壁在不同室外温差下的传热系数计算结果。对于垂直围壁，在相同大小的室内外温差下冬季和夏季船舶围壁的传热系数相差很小，且冬夏季室内外温差的大小改变对垂直围壁传热系数的影响均很小。垂直围壁空气层两侧存在温差，热侧的空气因浮升力上升而冷侧的空气遇冷下降，这样就在空气层内形成了自然对流。图4与图5分别为垂直围壁在夏季及冬季的温度分布云图。垂直围壁内的空气层在冬夏季均能形成自然对流，因此在大小相同的室内外温差下冬夏季垂直围壁的传热系数相差很小。空气层自然对流传热的热阻相比于围壁隔热材料等其它部分的热阻小很多，当室内外温差有较大的变化时，空气层两侧壁之间的温差变化实际很小。因此冬夏季室内外温差大小的变化对船舶垂直围壁的传热系数的影响均很小。

表3不同室内外空气温度差的垂直船舶围壁传热系数

图4夏季垂直围壁温度分布云图（室内外温差为18℃）

图5冬季垂直围壁温度分布云图（室内外温差为-18℃）

3总结与讨论

本文采用FLUENT软件对船舶围壁进行了稳态传热模拟计算，研究讨论了不同的室内外温度条件下围壁空气层对围壁传热系数的影响。由于水平围壁的空气层在夏季及冬季形成的空气自然对流完全不一样，水平外围壁在冬季及夏季的传热系数差异很大。垂直围壁的空气层在夏季及冬季都能形成良好自然对流，在冬季及夏季的传热系数基本一样。在冬夏季室内外温差大小的变化对水平围壁和垂直围壁的传热系数的影响均很小。因此在计算船舶舱室冬夏季空调负荷时，水平围壁的传热系数在冬季和夏季应取不同的值，而垂直围壁的传热系数可以取相同的值。

[1]刘晓晨.船舶空调节能措施探讨[J].青岛远洋船员学院学报, 2007,28(2):29-30

[2]章熙民,任泽霈,梅飞鸣.传热学(第五版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

[3]《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].上海:国防工业出版社,1975

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

[5]A Gustavsen,B T Griffith,D Arasteh.Natural convection effects in three-dimensional window frames with internal cavities[J]. ASHRAE Transactions,2001,107(2):527-537

[6]张琪,王伟旭,黄苏荣,等.高密度车用永磁电机流固耦合传热仿真分析[J].电机与控制应用,2012,39(8):1-5

[7]刘砚文,李振海.入口气流方向对准逆流式全热交换器性能的影响[J].建筑节能,2012,40(1):14-17

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

Ana lys is of the Effe c ts of Na tura l Conve c tion in the Air La ye r of Ship Enve lope s on the He a t Tra ns fe r Coe ffic ie nt

LI Wei-guang1,LI An-bang2,SHI Hong-Mei1,XU Xin-hua2,XIE Jun-long2
1 China Ship Development and Design Center
2 Department of Building Environment and Energy Engineering,Huazhong University of Science and Technology

Numerical simulation software is used to simulate the steady heat transfer of ship envelopes under various indoor and outdoor temperature conditions.Results show that the heat transfer coefficient of horizontal ship envelops in winter season differs much from the one in summer season.The coefficient in winter season is much larger than that in summer season due to that the natural ventilation is much powerful in winter season.Results also show that the heat transfer coefficient of vertical ship envelops in summer season is almost the same to that in winter season due to similar natural convection.The simulation results also indicate that the heat transfer coefficient of ship envelops is almost the same in one season although the indoor and outdoor temperature difference changes.Therefore,when calculating the air conditioning cooling/heating load of ships,the heat transfer coefficient of horizontal ship envelops in winter and summer should be determined separately while the heat transfer coefficient of vertical ship envelops in winter and summer can be the same.

ship envelope,natural convection,numerical simulation,heat transfer coefficient

1003-0344（2014）05-038-4

2013-7-8

李伟光（1982～），男，硕士，工程师；湖北省武汉市中国舰船研究设计中心（430064）；E-mail:lwgabe@gmail.com

中央高校基本科研业务费专项资金（2013QN072）；教育部高校博士点基金（201201421 10078）