振动工况对极地船冷却系统内固-液两相流流动与传热具有复杂的影响，其传热性能保障及避免冰堵现象成为极地船设计建造的关机技术之一。本文主要以冷却系统换热管内流动介质（海水-冰晶两相流）为研究对象，从实验与CFD数值模拟分析相结合的角度对振动条件下水平90°弯管内海水-冰晶两相流流动、传热特征分别进行研究。在实验方面，课题组搭建振动工况下海水-冰晶两相流综合实验台，通过制取及运行过程，清晰了解流动状态，为验证数值模拟的准确性提供数据支持；采用Fluent软件及可视化工具进行数值模拟，研究耦合振动及相关变量参数对管内海水-冰晶两相流流动状态与传热的作用。通过研究与分析获得的重要结论如下：

1）根据海水-冰晶两相流复杂的固-液特性，建立欧拉-欧拉双流体模型，通过动网格加载壁面振动模型，并编写相间传热传质模型UDF嵌入至欧拉-欧拉模型，用于分析管内固-液两相流流动与传热。采用壁面函数增强仿真可靠性，并且采用基于欧拉坐标改进的k-ε湍流模型。通过研究实验压降值与仿真结果对比，误差在允许范围内，确保数值模型的准确性。

2）海水冰晶两相流在流动过程中压降损失主要为粘性摩擦及机械摩擦。管壁面加载振动源，振幅及频率增大时，不可避免造成壁面粗糙度增大，流体与壁摩擦损失增大、压降增加，并在振幅0.3mm时达到最大值约1700Pa。入口含冰率及粒径的增大，造成冰粒间偶发性碰撞几率增大，造成粘性摩擦增加，进而压降增大；流速的增长促使冰粒与壁面碰撞增强，壁面对颗粒的弹性效应增大，壁面剪切应力变化，冰粒动能降低，促使压降近似呈二次压降经验函数增加。

3）由于冰粒与海水间密度差，冰晶颗粒重力与浮升力存在显著不平衡性，造成管内海水-冰晶两相流分层现象明显。振动频率及振幅的增大，促使颗粒径向受力增大，因而冰粒逐渐趋近于中心区域，并且在频率为40与50Hz时，呈现出冰粒位于径向中心线两侧。含冰率及冰晶粒径增大，逐渐平衡冰晶重力与浮升力，促进冰粒分布往中心轴线分布；流速的增大，流体在窄管内扩散性增强，冰粒更多位于中心轴线，并且都具有更好的对称均匀分布。

4）弯角处流速分层现象显著，弯角外侧流速比内侧流速高，并且由于断面收缩，在弯角处产生涡旋现象，出现二次流效应，但在频率为40与50Hz时内侧流速较高于外侧流速。径向速度分布上，由于冰粒在上部聚集，最大径向速度位于中心轴线偏下，随着振幅、频率及含冰率、流速及粒径增大，径向速度趋近于中心对称分布。弯管入口效应在入口600mm后趋于稳定，含冰率、流速及粒径增大了稳定发展段流速分布，但振幅与频率提供更多径向力，造成流速减弱。90°弯管易在弯角处发生冰堵，流速应高于通过经验公式获取的安全临界流速。

5）壁面加载热量大部分通过海水以显热方式吸收以提升流体温度，另一部分供冰晶潜热利用使冰粒融化。在传热性能上，沿程温度及沿程相间平均传质率逐渐增加，而平均传热系数随之降低，仅在弯角处传热系数增加。

6）由于弯角处断面收缩，内侧传热面积比外侧小很多，积聚更多的热量，导致截面温度分层及相间传质率分层现象。振动频率及振幅增强管内扰动、含冰率增大相变潜热、热流密度升高则提升壁面热能均促进温度及相间传质率的升高；而冰晶颗粒增大导致单冰粒融化所需能量增大，流速的增加减弱传热作用，进而升温缓慢，相间传质率降低。局部传热系数方面，振动显著增强传热系数，其增长率可达12%，而热流密度从1 kW·m-2增至4 kW·m-2时，两相流局部传热系数增大近21%，较高的提升传热性能。

创新点

1）壁面不同振动工况通过动网格功能加载UDF编写的振动模型，利用Fluent数值模拟振动对流动及传热特性变化规律，并判断可能冰堵的安全临界速度。

2）数值模拟考虑冰晶相变潜热，利用UDF编写相间传热传质模型耦合欧拉-欧拉双流体模型，分析海水冰晶两相流传热特性。

本文分析了振动工况下极地船海水换热管内海水-冰晶两相流在变量因素影响下的流动及传热特性。目前实验研究与相关海水冰晶固-液两相流理论处于基础阶段，部分工作还需进一步提高。因此，还需从以下几点进行完善和发展：

1）振动模型复杂，需考虑振动的叠加与方向，振型方式如三角波及方向波等，进一步全面研究振动工况因素的影响。

2）研究方法上并未对宏、微观现象关联研究，冰晶随时间改变其粒径尺寸及粘度发生改变，相关物性参数会进一步影响流动与传热。

3）本文采用光滑、球形冰晶颗粒，而实际上为绝对的不规则形状；并且在流动过程中，需考虑冰晶颗粒的旋转现象，影响冰粒间及冰粒与海水间的相互作用力，进一步影响粘度分布、流态及热传递。

4）冰晶具有一定的结晶成核、团聚与破碎现象，直接导致冰晶粒径的改变，应进一步研究局部冰粒粒径大小分布；同时将相应宏观流动特性、传热特性与其相关联，为研究提供更便捷、准确的结果。

5）实验所用冰晶颗粒难以控制，在冰晶粒径、颗粒的硬度等与极地环境有一定的差异性。研究振动工况下的流动与传热需更专业的监测设备与方法设计，难以获取准确的实验结果。因此在后续研究中完善有关材料及实验设备，细化影响因素并进行定量处理。