LNG船中封闭腔室对流系数的研究
摘要
LNG(液化天然气)船是一种国际上公认的高技术、高难度、高附加值的复杂船型。本文所研究的是一艘138000m~3的LNG船，该船的热维护系统十分复杂，对其进行温度场分析是一项有意义的工作。为了准确计算出LNG船的温度场，研究LNG船封闭腔室对流系数是极其重要的。
本文对LNG船体模型进行了简化，分别讨论了LNG船封闭腔室内热传导、热对流、热辐射对热量传递的影响程度，从理论上推导出LNG船舱中的对流系数关系。
使用ANSYS有限元程序，采用热分析单元，建立了138000m~3 LNG船1／4船舱的三维有限元模型，根据理论公式，用APDL语言编制迭代程序，计算出LNG船在8种工况下各腔室的对流系数，进而得出LNG船的温度场及日蒸发率。
根据本文建立的模型计算得到的日蒸发率与国外实测资料一致，证明了计算对流换热的方法是有效的。
通过对LNG运输船温度场的分析，为我国独立研制或改进LNG船液货舱热维护系统打下了良好的基础。
In this thesis, Deep discussion was made on the temperature field of the heat maintenance system a 138000 m~3 of LNG (liquefied natural gas) Ship, which is recognized as a kind of complex ship with high tech, high difficulty and high appended value. In order to compute accurately the temperature field of LNG Ship, the work described in this paper is very important and meaningful. The main contributions of this thesis are as follows:
In this thesis, the LNG ship model was simplified. The heat conduct, heat convection, heat radiation's influence on the LNG ship's cavity were discussed respectively. Furthermore, the theoretical convection formula of the LNG Ship's cavity was obtained.
A three-dimensional finite element model for the 138,000 m~3 LNG carrier was built by applying thermal element of ANSYS code. The iterative algorithms using the APDL language was drawn up according to the theories formula. The convection coefficient in LNG ship's cavity are calculated under eight kinds of load cases, then the
temperature field of LNG ship and BOR (boil off rate) have been also performed.
According to the model, the calculating results of BOR coincide with experimental date from abroad. It showed that the method of calculating convection coefficient is correct.
By analyzing LNG ship's temperature field, it will lay a good foundation for our country to develop and improve LNG ship's heat maintenance system independently.
本文对LNG船体模型进行了简化，分别讨论了LNG船封闭腔室内热传导、热对流、热辐射对热量传递的影响程度，从理论上推导出LNG船舱中的对流系数关系。
使用ANSYS有限元程序，采用热分析单元，建立了138000m~3 LNG船1／4船舱的三维有限元模型，根据理论公式，用APDL语言编制迭代程序，计算出LNG船在8种工况下各腔室的对流系数，进而得出LNG船的温度场及日蒸发率。
根据本文建立的模型计算得到的日蒸发率与国外实测资料一致，证明了计算对流换热的方法是有效的。
通过对LNG运输船温度场的分析，为我国独立研制或改进LNG船液货舱热维护系统打下了良好的基础。
In this thesis, Deep discussion was made on the temperature field of the heat maintenance system a 138000 m~3 of LNG (liquefied natural gas) Ship, which is recognized as a kind of complex ship with high tech, high difficulty and high appended value. In order to compute accurately the temperature field of LNG Ship, the work described in this paper is very important and meaningful. The main contributions of this thesis are as follows:
In this thesis, the LNG ship model was simplified. The heat conduct, heat convection, heat radiation's influence on the LNG ship's cavity were discussed respectively. Furthermore, the theoretical convection formula of the LNG Ship's cavity was obtained.
A three-dimensional finite element model for the 138,000 m~3 LNG carrier was built by applying thermal element of ANSYS code. The iterative algorithms using the APDL language was drawn up according to the theories formula. The convection coefficient in LNG ship's cavity are calculated under eight kinds of load cases, then the
temperature field of LNG ship and BOR (boil off rate) have been also performed.
According to the model, the calculating results of BOR coincide with experimental date from abroad. It showed that the method of calculating convection coefficient is correct.
By analyzing LNG ship's temperature field, it will lay a good foundation for our country to develop and improve LNG ship's heat maintenance system independently.
引文
1 陶文铨。数值传热学(第二版)。西安交通大学出版社
2 陶文铨。计算传热学的近代发展。科学出版社，2000年
3 Patankar S V, A Numerical Method for Conduction in Composite Materials, Flow in Irregular Geometries and Conjugate Heat Transfer. In: Proc.6th Int. Heat Transfer. Conf. Washington D. C.; Hemisphere, 1978.3:297-302
4 Patankar S V, McGraw-Hill, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, 1980
5 D.L. Brown, R. Cortez, L. Minion, Accurate projection methods for the incompressible Navier-Stokes equations, Journal of Computational Physics, 168(2001) 464-499
6 姜培学，柯道友，任泽霈。PHOENICS求解非稳态导热对流及辐射换热耦合问题。清华大学学报，1999年，第39卷，第4期
7 邢景棠、周盛、崔尔杰。流固耦合力学概述。力学进展，1997年2月，第27卷第1期
8 董平川、徐小荷、何顺利。流固耦合问题及研究进展。1999年3月，第5卷第1期
9 赵镇南。传热学。高等教育出版社
10 L. F. A. Azevedo, E. M. Sparrow, Natural convection in open-ended inclined channels, ASME Journal of Heat Transfer, 107(1985)893-901
11 E.M. Sparrow and C. Prakash, Interaction between Internal Natural Convection in an Enclosure and an External Natural Convection Boundary-layer Flow, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.24, No5, pp.895-907,1981
12 E.M. Sparrow and W. Q. Tao, Buoyancy-driven Fluid Flow and Heat Transfer in a Pair of Interacting Vertical Parallel Channels, Numerical Heat Transfer, Vol.5, pp.39-58,1982
13 Ostrach, S.,Natral Convection in Enclosure, Advances in Heat Transfer, Vol.8, pp161-227,1972
14 魏英杰，何钟怡。二阶全展开ETG有限元方法在方腔自然对流模拟中的应用。热能动力工程，2004年3月，第19卷第2期15 徐明海，王秋旺。方腔尺寸对封闭方腔内多块孤立平板自然对流换热影响的数值分析。工程热物理学报，1999年11月
16 李娜，过增元，李志信。方腔自然对流中力的尺度效应。清华大学学报，2002年，第42卷第11期
17 李娜，李志信，过增元。封闭方腔内小尺度等温竖板自然对流的三维效应。上海理工大学学报，2003年，第25卷第3期
18 李光正，马洪林。封闭腔内高瑞利数层流自然对流数值模拟。华中科技大学学报，2004年9月，第21卷第3期
19 李光正，李贵，张宁。封闭腔内自然对流数值方法研究。华中科技大学学报，2002年12月，第19卷第4期
20 王衡元。大型LNG船建造研究。船舶工程，2005年增刊，第27卷
21 钟应华。14.7万m~3球罐型LNG船设计和建造初步研究。船舶工程，2005年增刊，第27卷
22 黑丽民。液化天然气船研究进展及其相关问题探讨。天然气工业，2002年，第22卷第3期
23 国际海事组织海上安全委员会。《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》。2000年
24 卓宁，孙家庆。工程对流换热。机械工业出版社，1982年
25 国际船级社协会。《散货船共同规范》。2005年
26 水平和倾斜放置时非等温矩形肋片通道自然对流散热研究，王启杰等，工程热物理学报，V10，No1，1989
27 具有表面辐射的导热和对流耦合问题的数值计算方法，杨沫，王育清，陶文铨，西安交通大学学报，Vol．26，No6，1992
28 处理区域内部导热与辐射联合作用的数值计算方法，陶文铨，李娬，西安交通大学学报，Vol．19，No3，1985
29 王勖成，邵敏。有限单元法基本原理和数值方法。清华大学出版社，1992年
30 王勖成。有限单元法。清华大学出版社。2003年7月
31 ANSYS使用手册。
32 Gas transport report. Thermal calculation of 130×10~3m~3 LNG carrier, 1991
33 S.O. Song J. H. Lee, H. P. Jun B. Y. Sung, K. K. Kim S. G.. Kim, A Study on the??Three-Dimensional State Temperature Distributions and BOR Calculation Program Development for the Membrane Type LNG Carrier. Vol.23, No25, pp.30-38, 1999
2 陶文铨。计算传热学的近代发展。科学出版社，2000年
3 Patankar S V, A Numerical Method for Conduction in Composite Materials, Flow in Irregular Geometries and Conjugate Heat Transfer. In: Proc.6th Int. Heat Transfer. Conf. Washington D. C.; Hemisphere, 1978.3:297-302
4 Patankar S V, McGraw-Hill, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, 1980
5 D.L. Brown, R. Cortez, L. Minion, Accurate projection methods for the incompressible Navier-Stokes equations, Journal of Computational Physics, 168(2001) 464-499
6 姜培学，柯道友，任泽霈。PHOENICS求解非稳态导热对流及辐射换热耦合问题。清华大学学报，1999年，第39卷，第4期
7 邢景棠、周盛、崔尔杰。流固耦合力学概述。力学进展，1997年2月，第27卷第1期
8 董平川、徐小荷、何顺利。流固耦合问题及研究进展。1999年3月，第5卷第1期
9 赵镇南。传热学。高等教育出版社
10 L. F. A. Azevedo, E. M. Sparrow, Natural convection in open-ended inclined channels, ASME Journal of Heat Transfer, 107(1985)893-901
11 E.M. Sparrow and C. Prakash, Interaction between Internal Natural Convection in an Enclosure and an External Natural Convection Boundary-layer Flow, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol.24, No5, pp.895-907,1981
12 E.M. Sparrow and W. Q. Tao, Buoyancy-driven Fluid Flow and Heat Transfer in a Pair of Interacting Vertical Parallel Channels, Numerical Heat Transfer, Vol.5, pp.39-58,1982
13 Ostrach, S.,Natral Convection in Enclosure, Advances in Heat Transfer, Vol.8, pp161-227,1972
14 魏英杰，何钟怡。二阶全展开ETG有限元方法在方腔自然对流模拟中的应用。热能动力工程，2004年3月，第19卷第2期15 徐明海，王秋旺。方腔尺寸对封闭方腔内多块孤立平板自然对流换热影响的数值分析。工程热物理学报，1999年11月
16 李娜，过增元，李志信。方腔自然对流中力的尺度效应。清华大学学报，2002年，第42卷第11期
17 李娜，李志信，过增元。封闭方腔内小尺度等温竖板自然对流的三维效应。上海理工大学学报，2003年，第25卷第3期
18 李光正，马洪林。封闭腔内高瑞利数层流自然对流数值模拟。华中科技大学学报，2004年9月，第21卷第3期
19 李光正，李贵，张宁。封闭腔内自然对流数值方法研究。华中科技大学学报，2002年12月，第19卷第4期
20 王衡元。大型LNG船建造研究。船舶工程，2005年增刊，第27卷
21 钟应华。14.7万m~3球罐型LNG船设计和建造初步研究。船舶工程，2005年增刊，第27卷
22 黑丽民。液化天然气船研究进展及其相关问题探讨。天然气工业，2002年，第22卷第3期
23 国际海事组织海上安全委员会。《国际散装运输液化气体船舶构造和设备规则》。2000年
24 卓宁，孙家庆。工程对流换热。机械工业出版社，1982年
25 国际船级社协会。《散货船共同规范》。2005年
26 水平和倾斜放置时非等温矩形肋片通道自然对流散热研究，王启杰等，工程热物理学报，V10，No1，1989
27 具有表面辐射的导热和对流耦合问题的数值计算方法，杨沫，王育清，陶文铨，西安交通大学学报，Vol．26，No6，1992
28 处理区域内部导热与辐射联合作用的数值计算方法，陶文铨，李娬，西安交通大学学报，Vol．19，No3，1985
29 王勖成，邵敏。有限单元法基本原理和数值方法。清华大学出版社，1992年
30 王勖成。有限单元法。清华大学出版社。2003年7月
31 ANSYS使用手册。
32 Gas transport report. Thermal calculation of 130×10~3m~3 LNG carrier, 1991
33 S.O. Song J. H. Lee, H. P. Jun B. Y. Sung, K. K. Kim S. G.. Kim, A Study on the??Three-Dimensional State Temperature Distributions and BOR Calculation Program Development for the Membrane Type LNG Carrier. Vol.23, No25, pp.30-38, 1999
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