船舶進氣系統進氣特性的數值研究

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(1.大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2．中國船舶工業集團公司 船舶系統工程部，北京 100036)

傳統船舶空氣動力學研究大多采用風洞實測的方法確定流場速度和壓力分布。該方法造價高，耗資大并且在風洞試驗中存在著動力相似和幾何相似的影響，還要考慮風洞邊界條件的影響和湍流、風速、風向、雷諾數等。實驗結果要進行換算，還存在測量點有限、采集數據的測量誤差等問題，對于紊亂的流動區域難以獲得準確的結果[1-2]。利用數值模擬的方法研究船舶內外流場的流動狀況，對流場參數進行分析，并與傳統的研究方法結合，可以有效地改善船舶性能、節約研究資金，提高研究效率。

目前，國內開展的進氣室內流場研究中，針對進氣濾清裝置和蝸殼內的流場結構及其優化的研究相對較多[3-4]，但是考慮進氣室整體結構以及消音器、濾清器等氣動阻力影響的研究很少。同時，航行中的船體由于其外流場所處的環境的變化、甲板上的各種設施使空氣流場中包含了流體分離、脫落渦、循環等諸多復雜現象[5-6]。這些流動的復雜性直接導致了進氣系統內部流動的不確定性，其最大的影響就是動力系統進氣流量的變化。在某些條件下會引起進氣流量不足致使動力系統無法正常工作。進氣系統進氣流量的變化通過濾清器前后壓差的變化得以體現，因此往往要在濾清器前后安裝壓力探測裝置，當壓差大于一定值就會報警，以便及時采取補救措施，增加進氣流量。但是在實際工作中，濾清器前后壓差還沒有達到臨界值，報警器就會報警，給實際工作帶來不必要的麻煩。因此研究濾清器前后壓差隨進口流動參數的變化規律，并探求壓差變化與測點位置間的關系是十分必要的。

本文用定常數值模擬的方法研究額定進氣條件下進氣系統的總體性能；在文獻[6]的基礎上，以周期函數的形式模擬外流場的變化，對進氣室內部流場進行非定常研究。重點研究進口氣流條件變化對濾清器前后壓差的影響，為壓差探測裝置的安裝位置以及敏感度的設置提出建議。

1 計算模型和邊界條件

1.1 計算模型

本文研究的某船舶進氣系統由前進氣室、后進氣室、消音器、豎井和進氣蝸殼等結構組成。計算模型由Gambit生成，見圖1。其中百葉窗、濾清器和豎井處采用結構化網格，而對于結構較復雜的消音器以及前后進氣室則采用非結構化網格。計算域整體網格數約為159.6萬。

1.2 邊界條件

1.2.1 定常計算邊界條件

氣體流經進氣系統的過程中，受百葉窗、濾清器等結構的阻力影響很大，造成較大的壓力損失。因此，為了盡可能真實地反映進氣系統的性能，這些部件的阻力是不能被忽略的。但是在數值模擬中，真實地再現這些部件的具體結構，比如慣性級的結構，勢必會使計算網格大量增加，增加計算難度和周期。因此，本研究采用Fluent軟件包內的Fan邊界條件來直接給出這些結構后的壓力損失，從而使計算簡化。

圖1 進氣系統模型

Fan邊界是Fluent軟件包中的一個模型。該模型假設在流場中存在一個無限小的風扇(見圖2)，對其后氣流產生作用，使其后氣流存在一定的壓升。這樣一種壓力的不連續可以用與速度相關的方程表示，該方程可以是常量，也可以是多項式、分段函數或者自定義的某種函數。本文通過給定一個常量來表示相應的結構阻力。

圖2 Fan模型作用示意

具體邊界條件設置見圖3。百葉窗進口給定質量進口，進口流量為燃氣輪機額定工作流量(本文中所涉及的流量、壓力均以與額定流量的比值形式表示)。進氣蝸殼出口給定壓力出口。百葉窗出口、濾清器出口以及進氣蝸殼進口給定Fan邊界條件。消音器出口和豎井進口交界按混和平面法處理。其它固體邊界作壁面處理。給定濾清器壁面粗糙度系數1，消音器隔板給定粗糙度系數0.5，粗糙度高度0.001 m。計算采用二階迎風格式，湍流模型選取標準的k-ε模型，其中k取0.8，湍流耗散率ε取0.8。

圖3 邊界條件示意

1.2.2 非定常計算進口條件

由文獻[6]知，風速恒定時，進氣室百葉窗前的總壓變化與船體和風向的夾角近似成正弦關系。本文在研究進氣室內部流場隨外界條件變化時做如下簡化：假定航向、航速和風速恒定，而風向以一定頻率變化。在這種條件下求解內部流場參數隨進口總壓的變化情況，假設進口總壓波動按正弦形式變化，即

p*=101 450+Asin(ωt)

(1)

式中:ω——風向變化的角速度；

t——時間步長；

A——總壓變化的幅值。

研究中假定船的航向和航速不變，風向改變可以使進口總壓分布涵蓋船在不同風向時的大多數進口總壓值，而風向變化的角速度越大也就意味著風向改變得越快。考慮到本文研究的重點是濾清器前后壓差隨進口條件變化的情況，而實際中濾清器前后允許的最大壓差為250 Pa，因而確定進口總壓波動曲線中A為250 Pa，同時，給定為0.497 1 rad/s，也就是風向轉動1周的周期為12.63 s，則進口壓力曲線見圖4。

圖4 百葉窗進口總壓波動曲線

非定常計算采用雙時間步法，對出口流量進行監測，當流量呈現規則的周期性變化時認為計算進入收斂階段，開始對計算結果進行保存。

2 計算結果分析

2.1 定常計算結果分析

為了能夠定量分析各位置的壓力變化，選定如圖5所示截面。各截面與對應的百葉窗出口、濾清器進出口以及進氣蝸殼進口均相距5 mm。各截面位置的總壓與給定值的比較見表1。可以看出，百葉窗和濾清器前后的壓力損失與給定值很接近，只有蝸殼前后的壓力損失與給定值差別較大。這是因為蝸殼處氣流發生90°折轉，流場的不均勻性必然會增加，從而增加流動損失。可以推斷，在蝸殼附近流動非常復雜，損失也很大。從其它位置壓力損失的計算結果來看，文中采用的Fan邊界條件基本可以準確地模擬壓力損失。

圖5 描述阻力損失的截面

表1 各裝置壓力損失

由百葉窗進口至進氣蝸殼出口的氣流壓差曲線見圖6。

圖6 壓差曲線

從圖6可見，壓差的變化有三次階越。第一次壓力損失最大，即濾清器慣性級的影響；第二次損失相對最小，是后進氣室氣流轉向進入消音器所引起的；第三次壓力損失主要是在蝸殼部分產生的，除了空氣阻力引起的損失外，絕大部分損失是由于氣流變向，流場不均勻引起的。

2.2 進氣系統非定常研究

為防止進氣室濾清器前后壓差過大，特在濾清器前后布置總壓測點，當測點壓差大于臨界值時，報警器就會報警，從而開啟應急裝置增加濾清器后總壓。為了系統研究壓差與測點位置間的關系，選取如圖7所示的G1～G7點作為總壓差的監測點。其中，G2點為船體實際工作中壓差探測器的布置位置，G5點在G2點正上方，G1、G3、G4、G6分別位于濾清器窗口的四角處，G7位于小濾清器窗口底邊的中央位置。濾清器后部測點與前測點位置一一對應。計算中求得各個時刻的濾清器前后測點的總壓值，然后將各點對應時刻的總壓值相減得到各測點的壓差隨時間變化曲線。

圖7 濾清器前后壓差測點布置

為方便表述，將濾清器前總壓用“front”表示，濾清器后總壓用“back”表示。不同時刻各測點濾清器前后的總壓見圖8。顯然，測點前后的總壓分布與百葉窗進口相比存在一定的相位偏移，但測點前的相位偏移很小，而測點后偏移較大。

從測點前后總壓分布曲線可以看出，測點位置不同，測點前后總壓的分布存在很大差異。在靠近進氣室的底部各測點處，濾清器前總壓普遍高于濾清器后的總壓，尤以G3測點處最為明顯；而中間高度處的測點(G4～G7)總壓分布則剛好相反，濾清器后的總壓要高一些。可以初步確定，在G3測點處獲得壓差全部為負值，也就是總壓有損失；而在G7測點處獲得總壓則全部為正值，說明此處總壓升高。另外，除總壓損失或總壓升高會產生壓差外，測點前后總壓變化的不同步同樣是造成壓差的原因。

圖8 燃燒空氣濾清器前后總壓分布曲線

3 結論

1)Fan邊界條件基本可以準確地模擬各關鍵部件前后的壓力損失，加上研究中對進氣系統的完整建模，從而使流場計算結果更接近真實情況。氣流流經進氣系統有三次明顯的壓力損失，第一次壓力損失最大，即濾清器慣性級的影響，第二次和第三次壓力損失主要由氣流轉向引起。

2)濾清器前后產生壓差的原因有兩個:①氣體經過濾清器后壓力損失；②氣體經過濾清器后壓力損失很小，但是相位不同造成壓差。不同測點處得到的壓差曲線差別很大，存在完全正壓差或完全負壓差的情況

3)基于測量濾清器前后壓差的目的，測點不應放置在G7附近。G2位置正負壓差變化較平均，是比較理想的觀測點。

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