极地船舶暴露于甲板的消防管路低温防护技术研究

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极地船舶航行于极地冰区海域时,消防管路面临海水-冰晶两相流浆体带来的危害,因此对暴露于甲板的消防管路采取低温防护措施很有必要。从基础研究的角度出发,选取暴露于甲板的消防管路为研究对象,采用数值模拟对水平直管中海水-冰晶两相流浆体的流动特性进行模拟研究,并根据模拟结果确立电伴热带的敷设方式。然后,通过理论计算,选用60 W/m(10℃)的自限温电伴热带进行消防管路的低温防护研究。采用基于颗粒动力学理论的欧拉-欧拉双流体模型,通过编译UDF程序,在Fluent中将相间传热传质模型嵌入欧拉-欧拉双流体模型,探究自限温电伴热带对管道低温防护的效果。同时针对不同仿真工况进行实验对比观测,为数值模拟提供数据支撑。结果表明:1)一定条件下,海水-冰晶两相流浆体流速增大,可以促进冰晶在两相流浆体中具有更加均匀的浓度场,而较大粒径的冰晶颗粒会导致冰晶浓度场产生非均匀分布的趋势;2)冰晶颗粒在流动过程中存在分层现象,冰晶颗粒在沿程流动过程中有向管道上半部分聚集的趋势。其浓度变化在竖直方向上大致分为三个区域,即:冰晶颗粒浓度较高的管道顶部区域;冰晶颗粒浓度趋于恒定的中心区域;冰晶颗粒浓度逐渐降低的底部区域;3)入口流速和冰晶颗粒粒径一定时,随着入口含冰率的提高,沿流动方向冰晶浓度场越来越倾向于有浓度梯度的分布情况;4)消防管路外壁面敷设电伴热带后,海水-冰晶两相流浆体在管路中的流动分层现象显著,而对速度的分布几乎没有影响。随入口速度与含冰率的增加其浓度场与速度场呈现对称分布趋势。5)当海水-冰晶两相流浆体的入口含冰率20%,入口流速3 m/s,冰晶粒径0.4 mm时,冰晶沿流动方向上平均体积分数变化不明显,两相流浆体的温升也不明显,即功率为60 W/m(10℃)的自限温电伴热带在此工况条件下已经不适合使用。此外,采用自限温电伴热带进行管路伴热时,实验观察结果与仿真结果保持了良好的一致性。在揭示自限温电伴热带对管道低温防护效果的同时,更为极地船舶消防管道的低温防护以及船舶消防水系统的安全运行提供了重要指导。
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