大洋勘探船岩芯储存库内温度场的数值模拟

郭月姣; 吴毅昊; 马双; 陈旭; 孟博; 雷淑雅; 石大川; 冯国增

doi:10.19693/j.issn.1673-3185.01835

大洋勘探船岩芯储存库内温度场的数值模拟

郭月姣^1,,
吴毅昊²,
马双³,
陈旭³,
孟博¹,
雷淑雅¹,
石大川⁴,
冯国增^1, ,

1.
江苏科技大学能源与动力学院，江苏镇江 212003
2.
上海外高桥造船有限公司，上海 200137
3.
中国船舶及海洋工程设计研究院，上海 200011
4.
重庆大学土木工程学院，重庆 400045

基金项目: 江苏省科技成果转化专项资金资助项目（BA2016145）

详细信息

作者简介:
郭月姣，女，1996年生，硕士生。研究方向：暖通空调工程。E-mail：1556726049@qq.com

吴毅昊，男，1983年生，工程师

马双，男，1990年生，硕士，工程师

陈旭，男，1976年生，硕士，研究员

冯国增，男，1971年生，硕士，副教授。研究方向：暖通空调工程。E-mail：frank7792@sina.com

通讯作者:
冯国增

中图分类号: U664.5+2
计量
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出版历程
- 收稿日期: 2019-11-26
- 修回日期: 2019-12-31
- 网络出版日期: 2021-03-25
- 刊出日期: 2020-04-14

Numerical simulation of temperature field in core storage of ocean exploration vessel

1.
School of Energy and Power, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China
2.
Shanghai Waigaoqiao Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200137, China
3.
Marine Design and Research Institute of China, Shanghai 200011, China
4.
School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China

大洋勘探船岩芯储存库内温度场的数值模拟郭月姣，采用知识共享署名4.0国际许可协议进行许可。

摘要

摘要:
目的探究使用计算流体动力学（CFD）方法分析大洋勘探船岩芯储存库内的温度分布。
方法岩芯储存库库内设计温度分别为高温库4 ℃，低温库−20 ℃，控温精度为±1 ℃，选择标准k-ε模型进行CFD模拟。在空库吊顶情况下，岩芯储存库的冷风机分别采用横向、纵向和斜角布置方式，模拟不同方案的温度分布，确定冷风机的最佳放置方式，并与实验结果进行对比分析。
结果研究表明，冷风机采用横向吊顶布置方式时温度偏离程度较小，且温度分布区域大多合格，布置方式合适。温度模拟与实验结果的误差基本在10%以下，也证明了CFD数值模拟结果较准确。
结论 CFD技术可准确模拟岩芯储存库内温度分布情况，为岩芯储存库冷风机设计提供科学依据。
- 大洋勘探船 /
- 岩芯储存库 /
- 数值模拟 /
- 温度场
Abstract:
Objectives This study is focused on whether CFD can be used to analyze the temperature distribution in the core storage of ocean exploration vessels.
Methods In the core storage of ocean exploration vessels, high-temperature storage is 4°C, low-temperature storage is −20°C and temperature control accuracy is ±1°C. The standard k-ε turbulence model is used in this paper for CFD simulation. In the case of an empty storage ceiling, a transverse layout, a longitudinal layout and an oblique layout are separately adopted on the deployment scheme of the air cooler for high and low temperature storage. The temperature distributions of the different layout schemes are simulated to determine the optimal layout of the air cooler. Then the simulation results are compared with the experimental results.
Results The result shows that when the air cooler adopts the transverse ceiling layout, the temperature deviation degree is small, and the temperature is mostly distributed in qualified areas, therefore this layout is selected. In the case of the transverse layout ceiling arrangement, the error between the simulation results and experiment results, is below 10%. This shows that the simulation results are reasonable.
Conclusions CFD can accurately simulate temperature distribution in core storage, providing a strong scientific basis for the future design of core storage air coolers.
- ocean exploration vessel /
- core storage /
- numerical simulation /
- temperature field

HTML全文

0. 引　言

岩芯是研究地下地质和矿产情况的重要材料。岩芯开采出来后，经清洗、干燥、密封等过程，放置在大洋勘探船的岩芯储存库中。岩芯热容较大，在入库或出库时温度变化小，具有种类多、岩性变化大、灵敏度高等特点，因此储存条件非常严格^[1]。当岩芯种类和研究目的不同时，对库温的要求也不同，通常松软的沉积物岩芯样品、冰心样品等需进行冷冻保存，而固体矿产岩芯一般进行冷藏储存。例如，“东方红3”号勘探船岩芯储存库分为样品冷冻库和样品冷藏库，库温分别为−20~−18 ℃和−4~10 ℃；“科学”号考察船的岩芯储存库库温分别为4 ℃和−20 ℃；“雪龙2”号科考船岩芯储存库分为低温样品冷藏室和样品冷冻室，库温分别为2~10 ℃和−20~−18 ℃。在岩芯储存库设计时，若库内冷风机放置位置不当，存在温度死区，造成温度分布不均匀或温度过高过低，都不利于岩芯储存，故需研究岩芯库冷风机合理的布置位置以长时间、高质量保存岩芯。

岩芯热容较大，对库温影响大，岩芯储存库的设计必须满足岩芯存储目标温度的均匀性，但是大洋勘探船岩芯储存库的运输机制十分复杂，很难以经验法来确定最优的冷库设计方案。随着计算机运算能力的提高和计算流体动力学（CFD）的发展，数值模拟作为方案择优的一种辅助手段，被广泛应用于船舶设计领域，例如舱室通风^[2]、热量变化过程分析^[3]、船型优化^[4-5]及设计^[6]等方面。同样，在空调系统设计中，数值模拟方法也得到了普遍应用。权崇仁等^[7]和敖庆章等^[8]通过模拟计算舰船典型舱室的温度场分布，验证了空调系统布置的合理性；亓海青等^[9]采用数值模拟方法对舱室内部空气环境的舒适性进行了分析；倪崇本等^[10]运用CFD技术对液化天然气船（LNG船）机舱内通风气流进行了数值模拟，消除了通风死角产生的安全隐患；Wang等^[11]运用CFD技术模拟了制冷柜中的空气三维温度变化，有效改善了制冷系统性能；Söylemez等^[12]和Rusly等^[13]通过CFD模拟提供的更完整流场信息，确定了制冷系统中设备构件的最佳设置位置。

但是，上述研究均未涉及大洋勘探船岩芯储存库中的数值模拟应用。本文拟针对大洋勘探船陆上模拟岩芯储存库，采用CFD技术研究库内温度分布，从而改变冷风机设置位置；通过分析3种不同冷风机设置位置的壁面温度分布，以确定有利于岩芯储存的冷风机布置方案。

1. 岩芯储存库结构及冷风机布置方式

大洋勘探船陆上模拟岩芯储存库高、低温冷库外观如图1所示，长5 m，宽13.6 m，高2.5 m，总容量为170 m³，其中低温库库容量70 m³，长5 m，宽5.6 m，高2.5 m；高温库库容量100 m³，长5 m，宽8 m，高2.5 m。冷库隔热材料为聚乙烯泡沫等。高温库工况：负荷6.345 kW，送风量2.71 m³/s。低温库工况：负荷6.915 kW，送风量2.67 m³/s。高、低温库冷风机分别采用横向、纵向和斜角3种布置方式，如图2所示。

图 1 岩芯储存库外观

Figure 1. Exterior view of refrigeratory for core storage

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图 2 冷风机布置方式

Figure 2. Layout of air coolers

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2. 冷库数值模型

冷库流体流动需符合连续性方程、动量方程和能量方程。由于库内流体流动状态基本为湍流，故选用标准k-ε模型解决湍流模型的不封闭问题，且考虑重力影响。连续性方程、动量方程（以x方向为例）、能量方程、k方程和ε方程分别为：

$\frac{{\partial \rho }}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho u} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {\rho v} \right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left( {\rho \omega } \right)}}{{\partial {\textit {z}}}} = 0$

(1)

$\begin{split}&\;\;\;\;\;\;\;\frac{{\partial \left( {\rho u} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho uu} \right)}}{{\partial x}} + \frac{{\partial \left( {\rho uv} \right)}}{{\partial y}} + \frac{{\partial \left( {\rho u\omega } \right)}}{{\partial {\textit {z}}}} = \\& - \frac{{\partial p}}{{\partial x}} + \frac{\partial }{{\partial x}}\left( {\mu \frac{{\partial u}}{{\partial x}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial y}}\left( {\mu \frac{{\partial u}}{{\partial y}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {\textit {z}}}}\left( {\mu \frac{{\partial u}}{{\partial {\textit {z}}}}} \right) + {S_u}\end{split}$

(2)

$\rho \frac{{\partial e}}{{\partial t}} + \nabla \cdot \left( {\rho {V}e} \right) = \nabla \cdot \left( {k\nabla \cdot T} \right) - p\nabla \cdot {V}{\rm{ + }}\varPhi + S$

(3)

$\begin{split}&\frac{{\partial \left( {\rho k} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho k{u{\rm _t}}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu {\rm _t}}}}{{{\sigma _k}}}} \right)\frac{{\partial k}}{{\partial {x_j}}}} \right] +\\& \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{G_k} + {G{\rm _b}} - \rho \varepsilon - {Y{\rm _M}}\end{split}$

(4)

$\begin{split}&\frac{{\partial \left( {\rho \varepsilon } \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho \varepsilon {u{\rm _t}}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu {\rm _t}}}}{{{\sigma _\varepsilon }}}} \right)\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_j}}}} \right] + \\&\;\;\;\;\;\;\;\;\;{C_{1\varepsilon }}\frac{\varepsilon }{k}\left( {{G_k} + {C_{3\varepsilon }}{G{\rm _b}}} \right) - {C_{2\varepsilon }}\rho \frac{{{\varepsilon ^2}}}{k}\end{split}$

(5)

式中：ρ为流体密度；u，v，ω分别为流体在x，y，z坐标方向上的速度分量；p为流体微元的压力；S_u为x方向的动量守恒方程的广义源项； $i$ ， $j$ =1，2，3； $e$ 为单位质量流体的内能； ${V}$ 为速度矢量； $\nabla$ 为散度； $\varPhi$ 为耗散函数； $T$ 为温度； $S$ 为体积热源； $k$ 为湍流脉动动能； $\mu$ 为湍流粘性系数； $\varepsilon$ 为湍流耗散率； ${u_{\rm _t}}$ 为湍流速度； ${\sigma _k}$ 和 ${\sigma _\varepsilon }$ 为模型常量， ${\sigma _k}$ =1.0， ${\sigma _\varepsilon }$ =1.3；G_k为湍动能k的产生项；G_b为浮力产生项； ${Y{\rm _M}}$ 为过度扩散产生的波动； ${C_{1\varepsilon }}$ 和 ${C_{2\varepsilon }}$ 为常数，C₁_ε=1.44，C₂_ε=1.92； ${C_{3\varepsilon }}$ 为浮力对耗散率的影响； ${\mu {\rm _t}} = \rho {C_\mu }\dfrac{{{k^2}}}{\varepsilon }$ ， ${C_\mu } = 0.09$ ，为常量。

3. 模拟计算与实验条件

模型边界条件为：1)冷风机出风口流速设为冷库进风口速度；2)冷风机回风口采用压力出口；3)冷库壁面边界条件选用第2类边界条件，冷库库板保温绝热，热流密度为0，将壁面的传热量折算成内热源，高温库内热源为63.45 W/m³，低温库内热源为98.78 W/m³。室内设计参数及送风参数如表1所示。在模拟计算时假设高、低温冷库完全独立，2个库作为单独的库区来进行计算。以纵向吊顶布置为例，整个计算区域网格数约1.79×10⁶，网格整体划分情况如图3(a)所示；对进风口网格进行加密处理，结果如图3(b)所示。

表 1 模型参数

Table 1. Model parameters

参数	高温库	低温库
库内设计温度/℃	4	−18
送风温度/℃	2	−20
回风温度/℃	4	−18
送风风速/(m·s⁻¹)	2.67
外界空气温度/℃	32
舱壁初始温度/℃	27.5	24.5

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图 3 纵向布置网格划分

Figure 3. Mesh division of longitudinal layout

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为了获得冷库内的合理流场，在建立描述冷藏库内流动换热的数学模型时，假设如下：1）冷库内空气为不可压缩理想气体，高、低温冷库之间无空气泄漏；2）鉴于流体为低速、不可压缩流动，故忽略由流体粘性力做功引起的耗散热；3）不考虑辐射换热；4）冷库外温度保持稳定。

实验中，在冷库内布置温度传感器，温度数据由自主开发的数据采集系统显示并记录。选取高度方向2.2 m处进行温度测量，距离冷库壁面50 mm处等距安置温度传感器（其中高温库测温点有40个，低温库测温点有25个），测温点布置情况如图4所示。

图 4 温度传感器布置

Figure 4. Temperature sensor layout

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4. 模拟结果分析与实验验证

利用该模型研究岩芯储存库内部冷风机的最佳摆放位置，在空库和有吊顶情况下，冷风机分别采用纵向、横向和斜角3种布置方式，对大洋勘探船陆上模拟岩芯储存库进行分析，以确定冷风机的最佳放置位置。

当冷风机采用纵向吊顶布置方式时，模拟结果如图5所示，沿着纵向远离冷风机的区域温度越来越高，高温库内冷风机对侧壁面温度最高为9 ℃，低温库内冷风机对侧壁面温度最高为−14 ℃。当冷风机采用横向吊顶布置方式时，模拟结果如图6所示，低温库内冷风机出口斜下方温度较高，为−16 ℃，大部分区域温度分布较均匀，为−20~−18 ℃，偏离程度较低；高温库内温度在3~6 ℃内波动，少数区域的温度达到7 ℃。当岩芯储存库冷风机采用斜角（轴向45°）吊顶布置方式时，部分截面模拟的温度分布云图如图7所示，由于冷风机为轴向45°放置，库内另外2个角落风量不足，从而导致角落附近区域的温度较高，其中低温库角落的温度约−12 ℃，高温库角落的温度约9 ℃，从而不利于岩芯的储存。

图 5 纵向吊顶布置时温度分布云图

Figure 5. Temperature contours of longitudinal ceiling layout

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图 6 横向吊顶布置时温度分布云图

Figure 6. Temperature contours of transverse ceiling layout

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图 7 斜角吊顶布置时温度分布云图

Figure 7. Temperature contours of oblique ceiling layout

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由于温度控制精度为±1 ℃，所以高温库温度波动范围为3~5 ℃，低温库温度波动范围为−21~−19 ℃，温度在此范围内视为合格区域。选择截面z=2.2 m处进行温度对比分析，结果如图8所示。图中，分组1为合格区域，分组2为偏离设计温度2 ℃范围内，分组3为偏离设计温度3~8 ℃范围内，分组4为偏离设计温度9 ℃及以上。冷风机采用横向吊顶布置方式时，最大偏离温度不超过8 ℃，且温度大都集中在合格区域，面积为33 m²；斜角吊顶时合格区域面积为36 m²，但冷风机采用纵向和斜角吊顶布置方式时，温度偏差9 ℃的区域面积较大，面积分别为9和7 m²，不利于岩芯储存。综上所述，最终选择将冷风机横向吊顶布置。

图 8 z=2.2 m处温度对比结果

Figure 8. Temperature comparison results at z=2.2 m

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当冷风机横向吊顶布置时，在高、低温库稳定时测量温度，并与模拟结果对比（图9）。由图可见，各测温点的实验与模拟温度之间存在1~2℃的温差，且在大部分测温点两者误差小于10%，表明数值模拟结果较准确。而在如图9（a）所示的测温点12~15处，实验与模拟温度的误差大于10%，推测是温度传感器距离冷风机送风口较近，使其位置发生偏离导致测量结果不准确。

图 9 模拟与实验温度对比结果

Figure 9. Comparison of temperature between simulation and experimental results

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5. 结　语

本文建立了陆上模拟岩芯储存库的数值模型，并进行了数值模拟与实验分析。根据大洋勘探船陆上模拟岩芯储存库的实际温度需要，对纵向吊顶、横向吊顶和斜角吊顶3种冷风机布置方式进行了模拟。结果显示，当冷风机横向吊顶时，高温库温度大部分维持在3~6 ℃，低温库温度大部分维持在−20~−18 ℃。岩芯储存库大部分区域温度分布均匀，满足储存温度需求。根据模拟结果，冷风机最终采用横向吊顶布置方式。岩芯储存库温度场数值模拟与实验结果的对比分析表明，两者温度误差在10%以内，这说明数值模拟技术可用于指导岩芯储存库工程设计。下一步可利用数值模拟技术分析当岩芯储存库内摆放货架以及改变冷风机的布置高度时对库内温度场的影响。

图 1 岩芯储存库外观

Figure 1. Exterior view of refrigeratory for core storage

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图 2 冷风机布置方式

Figure 2. Layout of air coolers

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图 3 纵向布置网格划分

Figure 3. Mesh division of longitudinal layout

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图 4 温度传感器布置

Figure 4. Temperature sensor layout

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图 5 纵向吊顶布置时温度分布云图

Figure 5. Temperature contours of longitudinal ceiling layout

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图 6 横向吊顶布置时温度分布云图

Figure 6. Temperature contours of transverse ceiling layout

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图 7 斜角吊顶布置时温度分布云图

Figure 7. Temperature contours of oblique ceiling layout

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图 8 z=2.2 m处温度对比结果

Figure 8. Temperature comparison results at z=2.2 m

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图 9 模拟与实验温度对比结果

Figure 9. Comparison of temperature between simulation and experimental results

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表 1 模型参数

Table 1 Model parameters

参数高温库低温库

库内设计温度/℃ 4 −18
送风温度/℃ 2 −20
回风温度/℃ 4 −18
送风风速/(m·s⁻¹) 2.67
外界空气温度/℃ 32
舱壁初始温度/℃ 27.5 24.5

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参考文献(13)

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施引文献(3)

期刊类型引用(2)

1.	郭月姣，顾忱，周琢，冯国增. 基于CFD与正交试验设计的均流板性能优化. 机电设备. 2021(01): 42-47 . 百度学术
2.	顾鑫鑫，郭月姣，石大川，冯国增. 某600t海巡船干衣室气流组织数值模拟. 船海工程. 2021(06): 77-82 . 百度学术

其他类型引用(1)

资源附件(0)

图(9) / 表(1)

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0. 引　言
1. 岩芯储存库结构及冷风机布置方式
2. 冷库数值模型
3. 模拟计算与实验条件
4. 模拟结果分析与实验验证
5. 结　语

大洋勘探船岩芯储存库内温度场的数值模拟

通讯作者: 冯国增

计量

出版历程

Numerical simulation of temperature field in core storage of ocean exploration vessel

0. 引 言

1. 岩芯储存库结构及冷风机布置方式

2. 冷库数值模型

3. 模拟计算与实验条件

4. 模拟结果分析与实验验证

5. 结 语

期刊类型引用(2)

其他类型引用(1)

计量

出版历程

目录

0. 引 言

1. 岩芯储存库结构及冷风机布置方式

2. 冷库数值模型

3. 模拟计算与实验条件

4. 模拟结果分析与实验验证

5. 结 语

通讯作者:
冯国增

0. 引　言

5. 结　语

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5. 结　语