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极地船海水系统冰晶生长相场模拟及管道内流动特性研究

【摘要】:随着全球温度上升,气候变化日益加剧,北极海冰正在加速融化中,特别是近年来,北冰洋的部分水域在每年夏季会出现不同时长的无冰时期,处于可通航状态,并且已经有多艘商船成功的穿越了北极航道,在将来的某个时间“无冰北极航道”可能将成为现实。在极地环境中航行时,温度作用下可能导致冰晶的聚集生长,冰晶在复杂的海水管路中运动过程中也可能导致冰晶的堆积,有可能致使船舶海水冷却系统的瘫痪,使得船舶冷却水水温过高,造成船舶设备不能正常运行,严重情况有可能致使动力系统的瘫痪。因此,开展针对极地环境中海水冰晶生长过程的相场模拟及冰浆在管道内的流动特性研究。针对海水冰晶的生长演化问题,基于金兹堡-道朗理论建立海水冰晶相场模型,为获得更加真实的冰晶形貌,在相场模型中引入各向异性以及热扰动项等参数影响。运用有限差分法对相场模型进行离散处理,并编程实现相场模型的计算过程,用Tecplot软件对计算结果进行后处理,分析海水冰晶生长的相场模拟结果。研究得到:随着空间步长的增大,获得的冰晶的形貌失真情况越来越严重,为确保海水结晶的微观形貌的精确性,在模拟过程中空间步长选择为Δx=0.4ε;海水冰晶随着过冷时间的迁移而长大,外貌形状为正六边形形状,且其尖端生长速度的变化趋势是先减小然后保持平缓,尖端温度的变化趋势则是先增大然后保持平缓;过冷度对冰晶生长影响较大,过冷度越大冰晶的生长速度越快,且冰晶的二次枝晶越发达;各向异性对冰晶结构也有较大影响,其取值越大冰晶的生长速度越大,且如果各向异性取值过大可能导致冰晶结构发生畸变;热扰动的引入使得海水冰晶的二次枝晶的生长变得更为发达,海水冰晶的生长速度随扰动的强度发生波动,且扰动过大容易使得海水冰晶形貌失真。针对冰浆管道内流动特性研究。采用Fluent中的双流体欧拉模型模拟冰浆两相流在水平直管及90°弯管的流动特性,分析了冰浆在水平直管及90°弯管中冰晶粒子的分布情况,以及冰浆在90°弯管中压降以及速度的分布情况。并分析了流速,管径,冰晶颗粒尺寸以及冰晶浓度等参数对冰浆两相流在水平直管及90°弯管内流动压降的影响。

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