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极地船海水系统冰晶生长特性研究

【摘要】:全球气候变暖,北极航道上的海冰不断消融,北极海域到了夏季出现无冰时期,为通航的船只提供了千载难逢的机会,并且已有多艘商船成功穿越北极航道,北极航道具有巨大的经济效益,迅速得到了各大航运公司的密切关注。但是,由于极地条件下的特殊环境,航道上有大量碎冰的存在,这些碎冰进入船舶海水管道系统,在内部不断堆积形成堵塞,导致船舶海水冷却系统陷入瘫痪,冷却水温度迅速升高超过其正常运行的温度范围,造成船舶设备无法正常工作,最终致使整个船舶动力系统无法运行。因此,开展针对极地环境下海水冰晶生长凝固过程的相场模拟以及海水冰晶两相流在管道内流动特性的研究就显得十分有必要。基于金兹堡-朗道理论,使用Wheeler模型作为海水冰晶的相场模型,为了能够更为准确的获得具有二次或者更高次海水冰晶的枝晶形貌,在Wheeler模型基础添加了各向异性项和热扰动项。使用易于编程和求解的有限差分法对相场模型中的控制方程(相场、温度场、浓度场和速度场控制方程)进行离散化处理,并运用Tecplot软件对求解结果进行后处理分析。研究结果表明:纯扩散下,枝晶形貌呈现出严格的六重对称性,相邻六个一次臂之间的夹角都为60°,且一次臂上生长出的二次臂与其一次臂之间的夹角也为60°,且一次臂和二次臂的根部出现了明显的颈缩现象,相场模拟最终获得了雪花状冰晶。在此基础上获得的溶质分布图与枝晶形貌非常相似,固液界面处出现了大量的溶质富集;随着强迫对流的引入,枝晶的六重对称结构受到了严重的破坏,顺流侧枝晶的生长速度明显小于逆流侧,且逆流侧的一次和二次臂枝晶生长都较为发达,而顺流侧无法长出二次臂。枝晶尖端生长速度以及溶质偏析比随着流速、扰动强度和过冷度的增大而增大,当这些参数取值较大时,管道内容易发生冰堵,造成船舶发生故障,而各向异性的取值对枝晶生长速度的影响较小。枝晶在强迫对流作用下生长,当各向异性、扰动强度的取值过大时会出现紊乱现象,导致海水冰晶形貌失真。在周期力场下,对海水冰晶管道内流动特性和换热特性进行理论分析并数值模拟。模拟结果显示,随着扰动的引入,海水冰晶与管道的换热系数迅速上升,扰动强度进一步增大,管道中心部分冰晶累积区不断变小,换热系数小幅上升,海水冰晶与管道的换热更加充分,所得结果正好符合第四章扰动强度对冰晶生长影响的结果分析,从而在宏观和微观上共同验证了模拟结果的可靠性。

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