振動(dòng)工況對(duì)極地船冷卻系統(tǒng)內(nèi)固-液兩相流流動(dòng)與傳熱具有復(fù)雜的影響，其傳熱性能保障及避免冰堵現(xiàn)象成為極地船設(shè)計(jì)建造的關(guān)機(jī)技術(shù)之一。本文主要以冷卻系統(tǒng)換熱管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)（海水-冰晶兩相流）為研究對(duì)象，從實(shí)驗(yàn)與CFD數(shù)值模擬分析相結(jié)合的角度對(duì)振動(dòng)條件下水平90°彎管內(nèi)海水-冰晶兩相流流動(dòng)、傳熱特征分別進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)方面，課題組搭建振動(dòng)工況下海水-冰晶兩相流綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)制取及運(yùn)行過(guò)程，清晰了解流動(dòng)狀態(tài)，為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性提供數(shù)據(jù)支持；采用Fluent軟件及可視化工具進(jìn)行數(shù)值模擬，研究耦合振動(dòng)及相關(guān)變量參數(shù)對(duì)管內(nèi)海水-冰晶兩相流流動(dòng)狀態(tài)與傳熱的作用。通過(guò)研究與分析獲得的重要結(jié)論如下：

1）根據(jù)海水-冰晶兩相流復(fù)雜的固-液特性，建立歐拉-歐拉雙流體模型，通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格加載壁面振動(dòng)模型，并編寫(xiě)相間傳熱傳質(zhì)模型UDF嵌入至歐拉-歐拉模型，用于分析管內(nèi)固-液兩相流流動(dòng)與傳熱。采用壁面函數(shù)增強(qiáng)仿真可靠性，并且采用基于歐拉坐標(biāo)改進(jìn)的k-ε湍流模型。通過(guò)研究實(shí)驗(yàn)壓降值與仿真結(jié)果對(duì)比，誤差在允許范圍內(nèi)，確保數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。

2）海水冰晶兩相流在流動(dòng)過(guò)程中壓降損失主要為粘性摩擦及機(jī)械摩擦。管壁面加載振動(dòng)源，振幅及頻率增大時(shí)，不可避免造成壁面粗糙度增大，流體與壁摩擦損失增大、壓降增加，并在振幅0.3mm時(shí)達(dá)到最大值約1700Pa。入口含冰率及粒徑的增大，造成冰粒間偶發(fā)性碰撞幾率增大，造成粘性摩擦增加，進(jìn)而壓降增大；流速的增長(zhǎng)促使冰粒與壁面碰撞增強(qiáng)，壁面對(duì)顆粒的彈性效應(yīng)增大，壁面剪切應(yīng)力變化，冰粒動(dòng)能降低，促使壓降近似呈二次壓降經(jīng)驗(yàn)函數(shù)增加。

3）由于冰粒與海水間密度差，冰晶顆粒重力與浮升力存在顯著不平衡性，造成管內(nèi)海水-冰晶兩相流分層現(xiàn)象明顯。振動(dòng)頻率及振幅的增大，促使顆粒徑向受力增大，因而冰粒逐漸趨近于中心區(qū)域，并且在頻率為40與50Hz時(shí)，呈現(xiàn)出冰粒位于徑向中心線兩側(cè)。含冰率及冰晶粒徑增大，逐漸平衡冰晶重力與浮升力，促進(jìn)冰粒分布往中心軸線分布；流速的增大，流體在窄管內(nèi)擴(kuò)散性增強(qiáng)，冰粒更多位于中心軸線，并且都具有更好的對(duì)稱(chēng)均勻分布。

4）彎角處流速分層現(xiàn)象顯著，彎角外側(cè)流速比內(nèi)側(cè)流速高，并且由于斷面收縮，在彎角處產(chǎn)生渦旋現(xiàn)象，出現(xiàn)二次流效應(yīng)，但在頻率為40與50Hz時(shí)內(nèi)側(cè)流速較高于外側(cè)流速。徑向速度分布上，由于冰粒在上部聚集，最大徑向速度位于中心軸線偏下，隨著振幅、頻率及含冰率、流速及粒徑增大，徑向速度趨近于中心對(duì)稱(chēng)分布。彎管入口效應(yīng)在入口600mm后趨于穩(wěn)定，含冰率、流速及粒徑增大了穩(wěn)定發(fā)展段流速分布，但振幅與頻率提供更多徑向力，造成流速減弱。90°彎管易在彎角處發(fā)生冰堵，流速應(yīng)高于通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式獲取的安全臨界流速。

5）壁面加載熱量大部分通過(guò)海水以顯熱方式吸收以提升流體溫度，另一部分供冰晶潛熱利用使冰粒融化。在傳熱性能上，沿程溫度及沿程相間平均傳質(zhì)率逐漸增加，而平均傳熱系數(shù)隨之降低，僅在彎角處傳熱系數(shù)增加。

6）由于彎角處斷面收縮，內(nèi)側(cè)傳熱面積比外側(cè)小很多，積聚更多的熱量，導(dǎo)致截面溫度分層及相間傳質(zhì)率分層現(xiàn)象。振動(dòng)頻率及振幅增強(qiáng)管內(nèi)擾動(dòng)、含冰率增大相變潛熱、熱流密度升高則提升壁面熱能均促進(jìn)溫度及相間傳質(zhì)率的升高；而冰晶顆粒增大導(dǎo)致單冰粒融化所需能量增大，流速的增加減弱傳熱作用，進(jìn)而升溫緩慢，相間傳質(zhì)率降低。局部傳熱系數(shù)方面，振動(dòng)顯著增強(qiáng)傳熱系數(shù)，其增長(zhǎng)率可達(dá)12%，而熱流密度從1 kW·m-2增至4 kW·m-2時(shí)，兩相流局部傳熱系數(shù)增大近21%，較高的提升傳熱性能。

創(chuàng)新點(diǎn)

1）壁面不同振動(dòng)工況通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格功能加載UDF編寫(xiě)的振動(dòng)模型，利用Fluent數(shù)值模擬振動(dòng)對(duì)流動(dòng)及傳熱特性變化規(guī)律，并判斷可能冰堵的安全臨界速度。

2）數(shù)值模擬考慮冰晶相變潛熱，利用UDF編寫(xiě)相間傳熱傳質(zhì)模型耦合歐拉-歐拉雙流體模型，分析海水冰晶兩相流傳熱特性。

本文分析了振動(dòng)工況下極地船海水換熱管內(nèi)海水-冰晶兩相流在變量因素影響下的流動(dòng)及傳熱特性。目前實(shí)驗(yàn)研究與相關(guān)海水冰晶固-液兩相流理論處于基礎(chǔ)階段，部分工作還需進(jìn)一步提高。因此，還需從以下幾點(diǎn)進(jìn)行完善和發(fā)展：

1）振動(dòng)模型復(fù)雜，需考慮振動(dòng)的疊加與方向，振型方式如三角波及方向波等，進(jìn)一步全面研究振動(dòng)工況因素的影響。

2）研究方法上并未對(duì)宏、微觀現(xiàn)象關(guān)聯(lián)研究，冰晶隨時(shí)間改變其粒徑尺寸及粘度發(fā)生改變，相關(guān)物性參數(shù)會(huì)進(jìn)一步影響流動(dòng)與傳熱。

3）本文采用光滑、球形冰晶顆粒，而實(shí)際上為絕對(duì)的不規(guī)則形狀；并且在流動(dòng)過(guò)程中，需考慮冰晶顆粒的旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，影響冰粒間及冰粒與海水間的相互作用力，進(jìn)一步影響粘度分布、流態(tài)及熱傳遞。

4）冰晶具有一定的結(jié)晶成核、團(tuán)聚與破碎現(xiàn)象，直接導(dǎo)致冰晶粒徑的改變，應(yīng)進(jìn)一步研究局部冰粒粒徑大小分布；同時(shí)將相應(yīng)宏觀流動(dòng)特性、傳熱特性與其相關(guān)聯(lián)，為研究提供更便捷、準(zhǔn)確的結(jié)果。

5）實(shí)驗(yàn)所用冰晶顆粒難以控制，在冰晶粒徑、顆粒的硬度等與極地環(huán)境有一定的差異性。研究振動(dòng)工況下的流動(dòng)與傳熱需更專(zhuān)業(yè)的監(jiān)測(cè)設(shè)備與方法設(shè)計(jì)，難以獲取準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此在后續(xù)研究中完善有關(guān)材料及實(shí)驗(yàn)設(shè)備，細(xì)化影響因素并進(jìn)行定量處理。