李國(guó)隆，巨永林，傅允準(zhǔn)

（1上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海200240；2上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海201620）

引 言

LNG船是天然氣貿(mào)易的重要運(yùn)輸工具，隨著天然氣在全球能源消費(fèi)中的比重不斷增長(zhǎng)，國(guó)際能源市場(chǎng)對(duì)LNG運(yùn)輸船的需求也將不斷增加。根據(jù)倫敦權(quán)威海運(yùn)業(yè)咨詢公司克拉克森統(tǒng)計(jì)，2012年全球有超過40艘LNG船新訂單。商船三井認(rèn)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(nèi)公認(rèn)的高技術(shù)、高難度、高附加值的 “三高”船舶，目前只有美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、日本和少數(shù)歐洲國(guó)家的幾家船廠能夠建造。中國(guó)是一個(gè) “缺氣”的國(guó)家，而中國(guó)的天然氣消費(fèi)總量卻以每年兩位數(shù)的速度增長(zhǎng)，根據(jù)BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2014的數(shù)據(jù)，2013年中國(guó)的天然氣消費(fèi)量為1616億立方米，較2012年增長(zhǎng)了10.8%。巨大的天然氣缺口需要通過進(jìn)口來填補(bǔ)，因此積極進(jìn)行LNG船的技術(shù)研究對(duì)中國(guó)的未來發(fā)展有重要意義。

液貨圍護(hù)系統(tǒng)是LNG船的核心，LNG船圍護(hù)系統(tǒng)主要可分為薄膜型和獨(dú)立型。薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)的典型代表為法國(guó)GTT公司設(shè)計(jì)的NO 96型和MarkⅢ型。這兩種類型的圍護(hù)系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)很成熟，目前被廣泛采用。獨(dú)立型的典型代表為MOSS球型、SPB型和C型液貨艙。

LNG船的運(yùn)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(dá)近190℃，因此圍護(hù)系統(tǒng)的絕熱性能非常重要。研究LNG船圍護(hù)系統(tǒng)與外界的換熱規(guī)律可以為設(shè)計(jì)和建造新的LNG船提供技術(shù)參考。國(guó)內(nèi)外有關(guān)薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)的研究比較多，相關(guān)學(xué)者［1－20］針對(duì)薄膜型圍護(hù)系統(tǒng)的主屏壁結(jié)構(gòu)、絕熱板的低溫特性、膠黏劑的低溫特性、圍護(hù)系統(tǒng)的絕熱性能、圍護(hù)系統(tǒng)的溫度場(chǎng)等進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究。但是，由于目前獨(dú)立B型圍護(hù)系統(tǒng)的實(shí)船應(yīng)用還不是很廣泛，相關(guān)研究的報(bào)道較少。

本項(xiàng)研究以一艘由滬東中華造船 （集團(tuán)）有限公司最新設(shè)計(jì)的17萬(wàn)立方米新型獨(dú)立B型LNG船為研究對(duì)象，表1所示為該船的設(shè)計(jì)主尺度，包括總長(zhǎng) （LOA）、垂線間長(zhǎng) （LBP）、型寬 （B）、型深 （D）、設(shè)計(jì)吃水 （d）和設(shè)計(jì)航速 （uship）。本文將新型獨(dú)立B型圍護(hù)系統(tǒng)與薄膜型和MOSS球型圍護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，突出新型獨(dú)立B型液貨艙的優(yōu)點(diǎn)，說明該型圍護(hù)系統(tǒng)在將來建造新LNG船時(shí)的廣闊應(yīng)用前景。針對(duì)這艘大型LNG船的一個(gè)典型液貨艙，提供了一種很全面地建立傳熱計(jì)算模型的方法，使用ANSYS Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究液貨艙蒸發(fā)率的變化規(guī)律。

表1 新型獨(dú)立B型LNG船的主尺度Table 1 Main dimensions of new independent type B LNG carrier

1 新型獨(dú)立B型圍護(hù)系統(tǒng)的特點(diǎn)

圖1所示為薄膜型LNG船的典型橫剖面圖，該型圍護(hù)系統(tǒng)為非自支撐型，絕熱層與船體內(nèi)殼直接接觸，液貨艙的質(zhì)量由絕熱層傳遞給內(nèi)船殼，內(nèi)船殼為整個(gè)液貨艙提供支撐。

圖2所示為MOSS獨(dú)立球型LNG船的典型橫剖面圖，MOSS型屬于B型獨(dú)立艙，為自支撐型，船體與液貨艙的結(jié)構(gòu)分別獨(dú)立，液貨艙的質(zhì)量由支撐結(jié)構(gòu)傳遞給船殼。

圖3所示為本項(xiàng)研究所針對(duì)的新型獨(dú)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(nèi)船殼之間有一段檢測(cè)和維修空間。

與薄膜型系統(tǒng)相比較，新型獨(dú)立B型系統(tǒng)有以下特點(diǎn)。

（1）薄膜型系統(tǒng)的絕熱層是承重系統(tǒng)，絕熱層需承受液貨艙質(zhì)量以及液貨晃動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力；而獨(dú)立型液貨艙由支撐結(jié)構(gòu)支撐質(zhì)量，絕熱層不是承重系統(tǒng)；因此，薄膜型系統(tǒng)的絕熱層結(jié)構(gòu)比獨(dú)立型系統(tǒng)的絕熱層結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。薄膜型系統(tǒng)絕熱層外側(cè)與內(nèi)船殼通過具有黏性的樹脂繩粘接。內(nèi)船殼本身是不平坦的，如果絕熱板安裝不平整，會(huì)導(dǎo)致主、次屏壁與絕熱板的粘接部位產(chǎn)生剝離應(yīng)力［6］。

圖2 MOSS獨(dú)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(dú)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(dú)立B型圍護(hù)系統(tǒng)的液貨艙和絕熱層與船殼分離，不分擔(dān)船體強(qiáng)度，液貨艙和絕熱層的變形和溫度應(yīng)力不會(huì)直接影響船體，因此新型獨(dú)立B型艙的絕熱層安裝更簡(jiǎn)單。

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

（3）新型獨(dú)立B型艙的絕熱層與內(nèi)船殼之間留有一段可以容納維護(hù)人員進(jìn)入的檢修通道，當(dāng)液貨艙或者絕熱層出現(xiàn)破損等問題時(shí)，可以很方便地拆除絕熱層進(jìn)行維修。而薄膜型系統(tǒng)的絕熱層封裝在內(nèi)船殼與液貨艙之間，檢測(cè)和維修都很困難。

與同是獨(dú)立型系統(tǒng)的MOSS獨(dú)立球型相比較，新型獨(dú)立B型系統(tǒng)有以下特點(diǎn)。

（1）新型獨(dú)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(duì)主甲板以下的空間利用效率很低，布置不如新型獨(dú)立B型艙緊湊，從而造成球形艙的船體尺寸比新型獨(dú)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(dú)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(dǎo)致船舶重心升高，影響船舶航行穩(wěn)定性。

（3）新型獨(dú)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(fēng)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(tái)的視線，也會(huì)一定程度影響到船舶的航行。

從上面的對(duì)比中可得，新型獨(dú)立B型圍護(hù)系統(tǒng)相對(duì)于薄膜型系統(tǒng)和MOSS型系統(tǒng)都有其突出的優(yōu)點(diǎn)，隨著一些關(guān)鍵技術(shù)問題得到解決，該型圍護(hù)系統(tǒng)在將來建造新LNG船時(shí)將有很廣闊的應(yīng)用前景。這些關(guān)鍵技術(shù)問題包括：船型研究、圍護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、晃蕩研究、圍護(hù)系統(tǒng)操作與維護(hù)、絕熱材料研制、絕熱層安裝等內(nèi)容。

2 液貨艙蒸發(fā)率的數(shù)值模擬計(jì)算

2.1 圍護(hù)系統(tǒng)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(hù)系統(tǒng)和船體進(jìn)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(duì)流換熱；水線以上的船體外殼及甲板則與空氣之間存在對(duì)流換熱，同時(shí)吸收陽(yáng)光的輻射熱量。船舶外殼與內(nèi)殼之間的各個(gè)分隔艙室中為空氣自然對(duì)流傳熱；絕熱層外側(cè)與船體內(nèi)殼之間的檢修通道中也為空氣自然對(duì)流傳熱。而在絕熱層和支撐結(jié)構(gòu)中則是純導(dǎo)熱。

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

在本項(xiàng)研究中，選取新型獨(dú)立B型LNG船的4個(gè)獨(dú)立艙中的一個(gè)作為研究對(duì)象，該艙所處的位置為80號(hào)站位至95號(hào)站位之間。為了減少數(shù)值模擬計(jì)算的計(jì)算量，根據(jù)船舶設(shè)計(jì)資料圖紙，考慮到液貨艙的對(duì)稱性，選取1／4艙模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)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(dú)立B型艙三維模型Fig.5 3Dmodel of new independent type B tank

2.2 對(duì)流傳熱系數(shù)計(jì)算

在圍護(hù)系統(tǒng)的傳熱計(jì)算模型中，外邊界上存在船殼與流體的對(duì)流換熱，在船殼層各個(gè)封閉艙室和絕熱層外的檢修通道中則存在空氣自然對(duì)流，因而準(zhǔn)確地計(jì)算對(duì)流傳熱系數(shù)是圍護(hù)系統(tǒng)傳熱計(jì)算的關(guān)鍵，工程應(yīng)用中使用實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算傳熱系數(shù)。

2.2.1 封閉艙室和檢修通道內(nèi)自然對(duì)流傳熱系數(shù)

在計(jì)算中，封閉艙室和檢修通道按照有限空間內(nèi)的自然對(duì)流來處理，計(jì)算出以?shī)A層二壁面的溫差（ΔT）定義的自然對(duì)流傳熱系數(shù) （hδ）或者計(jì)算出考慮夾層流體導(dǎo)熱和對(duì)流換熱綜合影響的等效熱導(dǎo)率 （keff）。根據(jù)傳熱學(xué)［21］，流過厚度為δ的夾層的總的熱通量 （q″）可表達(dá)為

描述夾層中自然對(duì)流的特征數(shù)為Nusselt數(shù)（Nuδ）和 Rayleigh數(shù) （Raδ）

針對(duì)豎直夾層，推薦使用以下實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式計(jì)算Nusselt數(shù)

針對(duì)水平夾層，推薦使用以下關(guān)聯(lián)式

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

計(jì)算船殼與海水的對(duì)流傳熱系數(shù) （hwater）時(shí)推薦使用以下關(guān)聯(lián)式計(jì)算

計(jì)算船殼與空氣的對(duì)流傳熱系數(shù) （hair）時(shí)推薦使用以下關(guān)聯(lián)式計(jì)算

2.3 其他參數(shù)及日蒸發(fā)率計(jì)算公式

支撐結(jié)構(gòu)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(jì)算中，除了對(duì)流傳熱系數(shù)以外，還需要的其他材料和液化天然氣的熱物性參數(shù)包括船體外板的輻射率 （ε）、層壓木的熱導(dǎo)率 （kwood）、低碳鋼的熱導(dǎo)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(shù)Table 2 Other thermo－physical properties of materials

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

2.4 計(jì)算工況

根據(jù)有關(guān)LNG船舶航行的國(guó)際規(guī)范和船舶的航行特點(diǎn)，選取以下3個(gè)工況進(jìn)行計(jì)算，其中工況1為國(guó)際海事組織規(guī)定的液化氣體船舶正常營(yíng)運(yùn)的最高環(huán)境設(shè)計(jì)溫度。計(jì)算工況的定義中包括空氣溫度 （Tair）、海水溫度 （Twater）、風(fēng)速 （uwind）和海水流速 （uwater）。計(jì)算工況見表3。

表3 計(jì)算工況Table 3 Description of working conditions of LNG carrier

新型獨(dú)立B型LNG船采用450mm厚的增強(qiáng)型硬質(zhì)聚氨酯泡沫 （RPUF）作為絕熱材料。絕熱材料是整個(gè)圍護(hù)系統(tǒng)的核心，熱導(dǎo)率是衡量RPUF的絕熱性能的指標(biāo)。根據(jù)已有的RPUF的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)［9］，在－160～20℃溫度范圍內(nèi)，聚氨酯泡沫的熱導(dǎo)率變化范圍大致為0.02～0.04W·m－1·K－1，為了研究RPUF熱導(dǎo)率變化對(duì)蒸發(fā)率的影響，本計(jì)算例中，每個(gè)計(jì)算工況下，都選取以下5個(gè)RPUF的熱導(dǎo)率數(shù)值進(jìn)行計(jì)算：0.02、0.025、0.03、0.035、0.04。

2.5 建立計(jì)算模型與劃分網(wǎng)格

根據(jù)實(shí)船的設(shè)計(jì)圖紙與數(shù)據(jù)資料，使用CAD軟件建立圍護(hù)系統(tǒng)1／4艙的三維模型，然后將三維模型導(dǎo)入ANSYS ICEM CFD軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因?yàn)榇撓到y(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于可預(yù)測(cè)到絕熱層里面的溫度梯度會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他計(jì)算域里的溫度梯度，應(yīng)當(dāng)對(duì)絕熱層區(qū)域里的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以保證計(jì)算的精度，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 傳熱模擬計(jì)算網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.6 Mesh for heat transfer simulation

2.6 Fluent軟件模擬計(jì)算的邊界條件設(shè)置及求解器設(shè)置

由于本計(jì)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(jìn)行求解。打開能量方程，輸入各個(gè)通過關(guān)聯(lián)式計(jì)算所得的或是已知的各計(jì)算域的材料物性參數(shù)，設(shè)置邊界條件后進(jìn)行求解計(jì)算。

邊界條件設(shè)置為：（1）水線以下的船殼上為對(duì)流換熱壁面，需要給定傳熱系數(shù)和海水溫度；（2）水線以上的船殼上為外部輻射換熱和對(duì)流換熱結(jié)合的混合壁面條件，需要給定傳熱系數(shù)、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(jì)算工況時(shí)橫艙壁溫度（TBHD）取值為工況1時(shí)取30℃，工況2時(shí)?。?℃，工況3時(shí)?。?5℃； （4）液貨艙內(nèi)側(cè)與LNG直接接觸，為恒溫壁面，溫度為－162℃；（5）兩個(gè)對(duì)稱面設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。

在Fluent軟件計(jì)算過程中，為了觀察計(jì)算的收斂情況，應(yīng)在計(jì)算過程中監(jiān)測(cè)計(jì)算殘差的變化情況，其次，應(yīng)在Fluent計(jì)算模型內(nèi)任意定義若干位置點(diǎn)，在計(jì)算過程中監(jiān)測(cè)這些位置點(diǎn)上的溫度值隨迭代時(shí)間步的變化情況，當(dāng)計(jì)算殘差小于指定標(biāo)準(zhǔn)并且所有位置點(diǎn)上的溫度都達(dá)到定常狀態(tài)時(shí)，即可認(rèn)為計(jì)算已經(jīng)收斂。

2.7 蒸發(fā)率計(jì)算結(jié)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(dǎo)率的變化情況。從計(jì)算結(jié)果可得：絕熱層熱導(dǎo)率對(duì)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(yíng)運(yùn)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(dǎo)率應(yīng)當(dāng)小于或等于0.03W·m－1·K－1。

圖7 蒸發(fā)率計(jì)算結(jié)果Fig.7 BOR calculation results

3 結(jié) 論

（1）通過將新型獨(dú)立B型圍護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的薄膜型和MOSS球型圍護(hù)系統(tǒng)在絕熱層結(jié)構(gòu)與安裝、晃蕩特性、檢測(cè)與維修、貨艙布置、甲板空間利用和航行穩(wěn)定性等方面進(jìn)行對(duì)比，突出了新型獨(dú)立B型艙的優(yōu)勢(shì)，說明該艙型在將來有很好的應(yīng)用前景。

（2）通過對(duì)船體結(jié)構(gòu)和艙室進(jìn)行合理簡(jiǎn)化后，提供了一種計(jì)算液貨艙換熱的方法，包括建立模型、計(jì)算有關(guān)參數(shù)、數(shù)值模擬的方法，并通過一個(gè)計(jì)算例驗(yàn)證了該方法的可行性。

（3）從數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果可得，絕熱層厚度為450mm時(shí)，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(dǎo)率應(yīng)當(dāng)小于或等于0.03W·m－1·K－1。

符 號(hào) 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(duì)流傳熱系數(shù)，W·m－1·K－1

hδ——以?shī)A層二壁面的溫差ΔT定義的封閉夾層自然對(duì)流傳熱系數(shù)，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(dǎo)率，W·m－1·K－1

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

LBP，LOA，LWL——分別為垂線間長(zhǎng)、總長(zhǎng)、水線長(zhǎng)，m

Nuδ——以?shī)A層寬度為特征尺寸的Nusselt數(shù)

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

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

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(shù)

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

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(fēng)速，knots

Vtank——液貨艙單罐滿載容積，m3

β——干空氣體積膨脹系數(shù)，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(yùn)動(dòng)黏度，m2·s

ρLNG——LNG的密度，kg·m－3

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