振動工況對極地船冷卻系統內固-液兩相流流動與傳熱具有復雜的影響，其傳熱性能保障及避免冰堵現象成為極地船設計建造的關機技術之一。本文主要以冷卻系統換熱管內流動介質（海水-冰晶兩相流）為研究對象，從實驗與CFD數值模擬分析相結合的角度對振動條件下水平90°彎管內海水-冰晶兩相流流動、傳熱特征分別進行研究。在實驗方面，課題組搭建振動工況下海水-冰晶兩相流綜合實驗臺，通過制取及運行過程，清晰了解流動狀態，為驗證數值模擬的準確性提供數據支持；采用Fluent軟件及可視化工具進行數值模擬，研究耦合振動及相關變量參數對管內海水-冰晶兩相流流動狀態與傳熱的作用。通過研究與分析獲得的重要結論如下：

1）根據海水-冰晶兩相流復雜的固-液特性，建立歐拉-歐拉雙流體模型，通過動網格加載壁面振動模型，并編寫相間傳熱傳質模型UDF嵌入至歐拉-歐拉模型，用于分析管內固-液兩相流流動與傳熱。采用壁面函數增強仿真可靠性，并且采用基于歐拉坐標改進的k-ε湍流模型。通過研究實驗壓降值與仿真結果對比，誤差在允許范圍內，確保數值模型的準確性。

2）海水冰晶兩相流在流動過程中壓降損失主要為粘性摩擦及機械摩擦。管壁面加載振動源，振幅及頻率增大時，不可避免造成壁面粗糙度增大，流體與壁摩擦損失增大、壓降增加，并在振幅0.3mm時達到最大值約1700Pa。入口含冰率及粒徑的增大，造成冰粒間偶發性碰撞幾率增大，造成粘性摩擦增加，進而壓降增大；流速的增長促使冰粒與壁面碰撞增強，壁面對顆粒的彈性效應增大，壁面剪切應力變化，冰粒動能降低，促使壓降近似呈二次壓降經驗函數增加。

3）由于冰粒與海水間密度差，冰晶顆粒重力與浮升力存在顯著不平衡性，造成管內海水-冰晶兩相流分層現象明顯。振動頻率及振幅的增大，促使顆粒徑向受力增大，因而冰粒逐漸趨近于中心區域，并且在頻率為40與50Hz時，呈現出冰粒位于徑向中心線兩側。含冰率及冰晶粒徑增大，逐漸平衡冰晶重力與浮升力，促進冰粒分布往中心軸線分布；流速的增大，流體在窄管內擴散性增強，冰粒更多位于中心軸線，并且都具有更好的對稱均勻分布。

4）彎角處流速分層現象顯著，彎角外側流速比內側流速高，并且由于斷面收縮，在彎角處產生渦旋現象，出現二次流效應，但在頻率為40與50Hz時內側流速較高于外側流速。徑向速度分布上，由于冰粒在上部聚集，最大徑向速度位于中心軸線偏下，隨著振幅、頻率及含冰率、流速及粒徑增大，徑向速度趨近于中心對稱分布。彎管入口效應在入口600mm后趨于穩定，含冰率、流速及粒徑增大了穩定發展段流速分布，但振幅與頻率提供更多徑向力，造成流速減弱。90°彎管易在彎角處發生冰堵，流速應高于通過經驗公式獲取的安全臨界流速。

5）壁面加載熱量大部分通過海水以顯熱方式吸收以提升流體溫度，另一部分供冰晶潛熱利用使冰粒融化。在傳熱性能上，沿程溫度及沿程相間平均傳質率逐漸增加，而平均傳熱系數隨之降低，僅在彎角處傳熱系數增加。

6）由于彎角處斷面收縮，內側傳熱面積比外側小很多，積聚更多的熱量，導致截面溫度分層及相間傳質率分層現象。振動頻率及振幅增強管內擾動、含冰率增大相變潛熱、熱流密度升高則提升壁面熱能均促進溫度及相間傳質率的升高；而冰晶顆粒增大導致單冰粒融化所需能量增大，流速的增加減弱傳熱作用，進而升溫緩慢，相間傳質率降低。局部傳熱系數方面，振動顯著增強傳熱系數，其增長率可達12%，而熱流密度從1 kW·m-2增至4 kW·m-2時，兩相流局部傳熱系數增大近21%，較高的提升傳熱性能。

創新點

1）壁面不同振動工況通過動網格功能加載UDF編寫的振動模型，利用Fluent數值模擬振動對流動及傳熱特性變化規律，并判斷可能冰堵的安全臨界速度。

2）數值模擬考慮冰晶相變潛熱，利用UDF編寫相間傳熱傳質模型耦合歐拉-歐拉雙流體模型，分析海水冰晶兩相流傳熱特性。

本文分析了振動工況下極地船海水換熱管內海水-冰晶兩相流在變量因素影響下的流動及傳熱特性。目前實驗研究與相關海水冰晶固-液兩相流理論處于基礎階段，部分工作還需進一步提高。因此，還需從以下幾點進行完善和發展：

1）振動模型復雜，需考慮振動的疊加與方向，振型方式如三角波及方向波等，進一步全面研究振動工況因素的影響。

2）研究方法上并未對宏、微觀現象關聯研究，冰晶隨時間改變其粒徑尺寸及粘度發生改變，相關物性參數會進一步影響流動與傳熱。

3）本文采用光滑、球形冰晶顆粒，而實際上為絕對的不規則形狀；并且在流動過程中，需考慮冰晶顆粒的旋轉現象，影響冰粒間及冰粒與海水間的相互作用力，進一步影響粘度分布、流態及熱傳遞。

4）冰晶具有一定的結晶成核、團聚與破碎現象，直接導致冰晶粒徑的改變，應進一步研究局部冰粒粒徑大小分布；同時將相應宏觀流動特性、傳熱特性與其相關聯，為研究提供更便捷、準確的結果。

5）實驗所用冰晶顆粒難以控制，在冰晶粒徑、顆粒的硬度等與極地環境有一定的差異性。研究振動工況下的流動與傳熱需更專業的監測設備與方法設計，難以獲取準確的實驗結果。因此在后續研究中完善有關材料及實驗設備，細化影響因素并進行定量處理。