機艙進風圍阱阻力特性數值分析及結構優化

牛明田，劉建軍，蔡林

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連116005 2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

機艙進風圍阱阻力特性數值分析及結構優化

牛明田1，劉建軍2，蔡林2

1海軍駐大連船舶重工集團有限公司軍事代表室，遼寧大連116005 2中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

機艙進風圍阱的阻力直接影響電動通風機的工作性能，對機艙通風效果有重要影響。建立進風圍阱流場離散模型，利用計算流體力學（CFD）軟件FLUENT求解描述進風圍阱氣流場的Navier-Stokes方程組，并對機艙新風進風圍阱的實際結構及其優化結構進行了阻力特性計算。結果表明：在對船體結構進行各種合理優化后，其通風阻力特性都得到了不同程度的改善。通過綜合評估，最終選擇了性價比最高的優化方案，優化后進風圍阱的阻力降低了32.73%。

機艙；通風；阻力特性；數值模擬；計算流體力學

0 引 言

計算流體力學的應用如今已遍及航空航天、船舶、能源、化工、汽車、生物、水處理、火災安全、冶金及環境等眾多領域，從高層建筑結構通風到微電子散熱，從發動機、風扇、渦輪、燃燒室等旋轉機械到整機外流氣動分析，可以認為只要有流動存在的場合，都可以利用計算流體力學進行分析［1］。船舶機艙通風屬于大空間通風，一般有正壓通風和負壓通風，與火電站、鍋爐房通風系統類似［2-3］。國內通過數值計算方法對機艙通風系統的研究主要集中于機艙內溫度場分布［4-5］和氣流場組織等方面［6-7］，而忽略了進風圍阱阻力對電動通風機性能的影響。進風阻力過大會使得電動通風機偏離最佳運行工況，不僅使風機的運行存在安全隱患，而且還會出現機艙通風量不足，機艙溫度過高等現象，嚴重影響機艙內設備的安全運行和輪機操作人員的健康。本文將對實船進風圍阱及其在不同情況下的優化結構進行阻力特性計算，通過綜合評估選出最合理的圍阱結構。

1 數學理論及方法

流體流動過程中都必須遵循某些物理定律，這些定律包括質量守恒、動量守恒等。圍繞這些定律，根據實際物理狀態規律建立封閉的流體運動基本方程，求解這些方程組就能總結出這些流體的流動狀態和規律。

1.1 質量守恒

質量守恒定律是自然界的普遍規律，流體流動同樣遵循該定律。質量守恒定律可以表述為：任何時間內流體微元體中增加的質量與同一時間內流入該微元體的凈質量相等。因此，可以得出質量守恒方程［8］：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u為流動速度，m/s；i=1，2，3，分別表示坐標軸 x，y，z方向。

由于通風計算過程中風壓比較低，空氣一般可以近似為不可壓縮流體，即密度ρ不隨時間發生變化，所以連續方程可以簡化為

1.2 動量守恒

動量方程［8］的一般形式可寫為

2 進風圍阱阻力數值計算

2.1 進風圍阱實船結構建模

為了較為全面地研究機艙通風系統進風圍阱流場的物理特性，流體流動空間的計算區域模型根據實船進風圍阱的尺寸建立。每臺新風機單獨配置1個新風進風圍阱，每個新風進風圍阱配置2個進氣裝置。模型構建的難點主要在于機艙通風系統進風圍阱實船結構極度不規則，因此，在劃分計算區域網格時，如果處理不當，會導致計算出現嚴重的偽擴散誤差，影響計算精度。所以在三維建模時對機艙通風系統進風圍阱的實船結構進行了適當的簡化處理，其三維結構如圖1所示。

圖1 進風圍阱結構Fig.1 Structure of air inlet well

圖1中箭頭的方向表示新風的流動方向，從圖中可以看出每個進風圍阱有2個進氣裝置，2個進氣裝置下面的空間由2個孔相連，以便氣流流動。為了降低建模的復雜程度和計算過程中的偽擴散程度，在建模的過程中將孔按照面積等效的原則簡化為長方體的結構；將球扁鋼結構簡化為長方體結構。

2.2 進風圍阱實船結構網格劃分

由于實船進風圍阱幾何結構極度不規則，盡管建模過程中進行了許多假設和簡化，還是給網格的劃分帶來了很大的困難。為了獲得高質量的計算網格，采用分區域網格劃分方法。在幾何結構規則的區域采用六面體網格；在幾何結構不規則的區域采用四面體網格；在流場物理特性變化劇烈的區域將網格細化，以便更好地計算其流場的物理特性。同時考慮到節省計算資源和時間，經過網格無關化驗證后，最終將網格數量控制在90萬～100萬之間（圖2）。

圖2 進風圍阱網格Fig.2 Grid of air inlet well

2.3 邊界條件

空氣的密度、壓力和流量按照設計狀態設置；計算過程中由于壓力變化較小，所以空氣介質按照不可壓縮流體處理。進氣裝置入口采用質量流量入口邊界條件為均勻入流面，垂直于進氣裝置入口面入流；計算區域的后面設置為出口，采用out flow出口邊界條件；計算區域的外圍壁面設置為無滑移固體壁面，在近壁區域采用標準函數［9］。

2.4 進風圍阱實船結構模擬結果

模擬中采用不可壓縮計算模型，并采用基于壓力耦合的計算方法；采用realizablek-ε雙方程模型計算湍流流動［10］。

從圖3的速度分布中可以基本看出新風在進風圍阱中的流動軌跡，在進風圍阱結構較小的部位速度最大。在兩根球扁鋼之間的區域里會出現新風的旋轉流動，存在較大的能量耗散。進風圍阱與船體外板組成的死區里也存在新風的旋轉流動，造成了較大的新風流動阻力。2處通風孔的面積較小，也造成了很大的流動阻力，壓力分布如圖4所示。

圖3 進風圍阱中截面速度分布Fig.3 Distribution of velocity in middle section

圖4 進風圍阱中截面總壓分布Fig.4 Distribution of total pressure in middle section

3 進風圍阱阻力優化數值計算

3.1 進風圍阱實船結構建模

與實船結構相比，從圖5可以看出，優化方案1中假設用鋼板鋪設在球扁鋼上面，即對球扁鋼部分進行光順處理來減少新風的進風流動阻力。

圖5 優化方案1Fig.5 Structure of modified scheme 1

與實船結構相比，優化方案2做了比較大的優化，從圖6中可以看出有2處優化：首先在原來2個通風孔的基礎上新增加了2個通風孔，以增加新風的流通面積，減小新風的流動阻力；其次，用鋼板把原來通風圍阱與船體外板的死角鋪平，以達到光順進風圍阱、降低新風流動阻力的目的。

圖6 優化方案2Fig.6 Structure of modified scheme 2

從圖7中可以看出優化方案3在優化方案2的基礎上用鋼板鋪設在球扁鋼上面，即對球扁鋼部分進行光順處理來減少新風的進風流動阻力。

圖7 優化方案3Fig.7 Structure of modified scheme 3

從圖8中可以看出優化方案4在優化方案3的基礎上，在進風圍阱直角轉彎的外角處進行了倒角光順處理，即對圍阱進行光滑過渡來減少新風在死角處的能量耗散，以達到降低新風流動阻力的目的。

圖8 優化方案4Fig.8 Structure of modified scheme 4

3.2 進風圍阱優化結構模擬

從圖9中可以看出對球扁鋼進行光順優化后，新風在圍阱中的流動阻力相對減少，新風順著船體結構沖向船體外板，上升繞過船體外板進入豎直圍阱。這樣在船體外板處形成了較大的回流區，造成了較大的能量耗散和壓力損失。

圖9 優化方案1中截面總壓分布Fig.9 Distribution of total pressure in middle section of modified scheme 1

優化方案2對船體外板的死區進行了光順處理，從圖10的壓力分布中可以明顯看出新風流動壓力場較為均勻，壓力損失相對減小。

圖10 優化方案2中截面總壓分布Fig.10 Distribution of total pressure in middle section f modified scheme 2

優化方案3是在優化方案2的基礎上對球扁鋼進行了光順處理，從圖11中可以看出新風流動的壓力場變得更均勻，壓力損失更小。

圖11 優化方案3中截面總壓分布Fig.11 Distribution of total pressure in middle section of modified scheme 3

優化方案4在優化方案3的基礎上對圍阱直角轉彎的外側進行了倒角光順處理，從圖12中可以看出在倒角光順處理處新風壓力場變得非常均勻，減小了新風在直角轉彎處的漩渦流動，降低了能量的渦旋耗散。

圖12 優化方案4中截面總壓分布Fig.12 Distribution of total pressure in middle section of modified scheme 4

4 優化方案對比分析

實船進風圍阱結構和各種優化結構在滿負荷風量下的阻力特性如圖13所示，阻力降低百分比如圖14所示。從圖中可以看出，實船結構圍阱的阻力最大，為495 Pa。優化方案1通過對球扁鋼部分進行光順處理來減少新風的進風流動阻力，效果也比較明顯，阻力為428 Pa，降低了13.54%。優化方案2通過光順進風圍阱和船體外板圍成的死區，以及增加新風通風孔來減小新風的流動阻力，阻力為391 Pa，降低了21.01%。優化方案3是在優化方案2的基礎上進行了進一步的優化整改，阻力為333 Pa，降低了32.73%。優化方案4的優化程度最高，其阻力也最小，為328 Pa，降低了33.74%，但其施工量大，且施工困難。優化方案3與方案4相比，其施工量較小，且施工相對容易，施工后對原來進風圍阱結構的改變較小，不會對以后進風圍阱的維修和清洗帶來不便，所以是一種切實可行的方案。

圖13 流動阻力對比Fig.13 Comparison of flow resistance

圖14 流動阻力降低百分比Fig.14 Percentage of reduced flow resistance

5 結 語

本文通過數值模擬的方法對機艙新風進風圍阱的實際結構及其優化結構進行了數值模擬計算。結果表明：在對船體結構進行各種合理優化后，其通風阻力特性都得到了不同程度的改善。通過阻力降低程度和優化施工量的綜合評估，最終選擇了性價比最高的優化方案，優化后進風圍阱的阻力降低了32.73%。同時，也為后續船舶機艙進風圍阱的結構設計提供了有力的理論依據。

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Numerical Simulation of Engine Room Inlet Well Resistance Characteristics and Structural Optimization

NIU Mingtian1，LIU Jianjun2，CAI Lin2

1 Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.，Dalian 116005，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The resistance of engine room air inlet wells directly affects the electric blower performance，which has a major impact on cabin ventilation.To address the issue，this paper establishes a discrete nu?merical model for the flow field of a ship air inlet well.Specifically，the Navier-Stokes equation is first solved using FLUENT，and the resistance characteristics of the actual engine room fresh air inlet well as well as its optimized structure are then calculated.The results show that by applying various optimization schemes on the hull structure，its ventilation resistance characteristics can be improved to some extent.Fi?nally，through comprehensive assessment，the most cost effective optimization scheme is determined，and the corresponding ventilation resistance is reduced by 32.37%.

engine room；ventilation；resistance characteristic；numerical simulation；Computational Fluid Dynamics（CFD）

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.015

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.015.html

U664.3

A

1673－3185（2014）02－84－05

期刊網址：www.ship-research.com

2013－10－11 網絡出版時間：2014-3-31 16:33

牛明田（1971－），男，高級工程師。研究方向：艦船動力系統設計。E-mail：niuxianren@sina.com

劉建軍（1985－），男，碩士，助理工程師。研究方向：艦船動力系統設計。E-mail：liujianjun_1@163.com

劉建軍

［責任編輯：胡文莉］