極地船海水系統(tǒng)冰晶生長相場模擬及管道內(nèi)流動特性研究.pdf

1、隨著全球溫度上升，氣候變化日益加劇，北極海冰正在加速融化中，特別是近年來，北冰洋的部分水域在每年夏季會出現(xiàn)不同時長的無冰時期，處于可通航狀態(tài)，并且已經(jīng)有多艘商船成功的穿越了北極航道，在將來的某個時間―無冰北極航道‖可能將成為現(xiàn)實(shí)。在極地環(huán)境中航行時，溫度作用下可能導(dǎo)致冰晶的聚集生長，冰晶在復(fù)雜的海水管路中運(yùn)動過程中也可能導(dǎo)致冰晶的堆積，有可能致使船舶海水冷卻系統(tǒng)的癱瘓，使得船舶冷卻水水溫過高，造成船舶設(shè)備不能正常運(yùn)行，嚴(yán)重情況有可能致使

2、動力系統(tǒng)的癱瘓。因此，開展針對極地環(huán)境中海水冰晶生長過程的相場模擬及冰漿在管道內(nèi)的流動特性研究。
　　針對海水冰晶的生長演化問題，基于金茲堡-道朗理論建立海水冰晶相場模型，為獲得更加真實(shí)的冰晶形貌，在相場模型中引入各向異性以及熱擾動項(xiàng)等參數(shù)影響。運(yùn)用有限差分法對相場模型進(jìn)行離散處理，并編程實(shí)現(xiàn)相場模型的計算過程，用Tecplot軟件對計算結(jié)果進(jìn)行后處理，分析海水冰晶生長的相場模擬結(jié)果。研究得到：隨著空間步長的增大，獲得的冰晶的形貌

3、失真情況越來越嚴(yán)重，為確保海水結(jié)晶的微觀形貌的精確性，在模擬過程中空間步長選擇為?x?0.4?；海水冰晶隨著過冷時間的遷移而長大，外貌形狀為正六邊形形狀，且其尖端生長速度的變化趨勢是先減小然后保持平緩，尖端溫度的變化趨勢則是先增大然后保持平緩；過冷度對冰晶生長影響較大，過冷度越大冰晶的生長速度越快，且冰晶的二次枝晶越發(fā)達(dá)；各向異性對冰晶結(jié)構(gòu)也有較大影響，其取值越大冰晶的生長速度越大，且如果各向異性取值過大可能導(dǎo)致冰晶結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變；熱擾動

4、的引入使得海水冰晶的二次枝晶的生長變得更為發(fā)達(dá)，海水冰晶的生長速度隨擾動的強(qiáng)度發(fā)生波動，且擾動過大容易使得海水冰晶形貌失真。
　　針對冰漿管道內(nèi)流動特性研究。采用Fluent中的雙流體歐拉模型模擬冰漿兩相流在水平直管及90°彎管的流動特性，分析了冰漿在水平直管及90°彎管中冰晶粒子的分布情況，以及冰漿在90°彎管中壓降以及速度的分布情況。并分析了流速，管徑，冰晶顆粒尺寸以及冰晶濃度等參數(shù)對冰漿兩相流在水平直管及90°彎管內(nèi)流動壓降