基于CFD的船舶排氣管系流場(chǎng)分析

余思騫，郭幼丹，郭雷，王剛

(集美大學(xué)a.輪機(jī)工程學(xué)院;b.機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

基于CFD的船舶排氣管系流場(chǎng)分析

余思騫a，郭幼丹b，郭雷a，王剛a

(集美大學(xué)a.輪機(jī)工程學(xué)院;b.機(jī)械與能源工程學(xué)院，福建 廈門 361021)

為了解船舶排氣管系的阻力及其流動(dòng)特征，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)中數(shù)值模擬和試驗(yàn)的方法，對(duì)排氣管90°彎頭和單擴(kuò)張抗性排氣消聲器的流動(dòng)特征進(jìn)行數(shù)值模擬和試驗(yàn)，分析管系中的壓力分布和速度分布，探討部件阻力損失機(jī)理和變化規(guī)律，模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。結(jié)果表明，CFD方法對(duì)船舶排氣管系的流場(chǎng)分析具有可靠的預(yù)測(cè)性，可為降低船舶排氣系統(tǒng)壓力損失和船舶動(dòng)力裝置油耗提供依據(jù)。

排氣管系;彎頭;排氣消聲器;壓力損失;數(shù)值模擬

船舶排氣管系是將高溫高壓氣體排入大氣，包括排氣管和消聲器。排氣管系的空氣動(dòng)力性能是評(píng)價(jià)動(dòng)力裝置的一項(xiàng)重要指標(biāo)，反映了系統(tǒng)對(duì)氣流阻力的大小，氣動(dòng)性能可以用壓力損失來表示。阻力損失分為沿程阻力損失和局部阻力損失兩大類，設(shè)計(jì)排氣管系要求氣流壓力損失要盡量小，同時(shí)也要兼顧聲學(xué)性能，以免造成整個(gè)動(dòng)力裝置的效率降低。目前，針對(duì)排氣消聲器的阻力特性和數(shù)值分析的研究相對(duì)較多［1-2］，而排氣在流經(jīng)彎管處流場(chǎng)的擾動(dòng)特別大，其流動(dòng)速度和管流壓力等參數(shù)發(fā)生明顯的變化，產(chǎn)生較大的壓力損失［3］，因此研究整個(gè)排氣管系的流場(chǎng)十分必要。為此，以某實(shí)船排氣管系為研究對(duì)象，對(duì)排氣管90°彎頭和單擴(kuò)張抗性排氣消聲器阻力損失大的構(gòu)件進(jìn)行流場(chǎng)分析，分析了排氣管系壓力損失的主要原因，通過運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)中數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。

1 數(shù)值模擬

1．1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)船舶動(dòng)力裝置排氣流場(chǎng)的氣動(dòng)特征，將其視為可壓縮黏性流動(dòng)，通過三維數(shù)值模擬湍流模型進(jìn)行求解。排氣流場(chǎng)的仿真研究，首先需要對(duì)彎頭和消聲器的工作條件作如下簡(jiǎn)化［4］:①固體區(qū)和流體區(qū)的物理性能參數(shù)均為常數(shù);②流體為定常流動(dòng)中的湍流;③不考慮重力的影響;④排氣管入口流速為均勻，無脈沖影響。

其流體數(shù)學(xué)模型包括連續(xù)方程、運(yùn)動(dòng)方程、能量方程、湍流輸運(yùn)方程及湍動(dòng)黏度方程，一起構(gòu)成控制方程。其流體基本方程通式［5］

式中:φ——通用變量，可以代表u、v、w、T等求解變量;

Γ——廣義擴(kuò)散系數(shù);

S——廣義源項(xiàng)。

現(xiàn)介紹湍流輸運(yùn)方程［6］κ方程

表1 湍流模型經(jīng)驗(yàn)系數(shù)

采用CFD的方法對(duì)彎頭和消聲器內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，通過求解湍流動(dòng)能k方程和湍流耗散率ε方程，得到k和ε的解，然后再用k和ε的值計(jì)算湍流粘度;通過Boussinesq理論假設(shè)得到雷諾應(yīng)力的解，最后對(duì)控制方程組封閉進(jìn)行求解。

1．2 建立CFD模型

根據(jù)某船舶的機(jī)艙排氣管系布置，排氣管系材料均為316不銹鋼管，排氣管直徑273 mm、臂厚6.5 mm，其中有3個(gè)90°彎頭半徑為1.5D，排氣消聲器采用單擴(kuò)張抗性消聲器，結(jié)構(gòu)長度為1 000 mm、直徑為520 mm、壁厚10 mm。

首先用ICEM CFD對(duì)90°彎頭和消聲器分別建立三維模型，然后用ICEM CFD劃分為適應(yīng)較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格雖然前期人工量大，但是，具有對(duì)計(jì)算機(jī)要求不是很高及計(jì)算過程中容易收斂的優(yōu)點(diǎn)。在網(wǎng)格生成時(shí)，對(duì)彎頭角度突變或消聲器截面突變的地方進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，以確保網(wǎng)格線平滑，避免有局部太大的扭曲，提高網(wǎng)格劃分質(zhì)量。本文所分析的模型網(wǎng)格質(zhì)量均在94%以上，合理的網(wǎng)格線分布不僅對(duì)計(jì)算精度有直接影響，甚至?xí)绊懹?jì)算過程的收斂性。圖1和圖2分別是90°彎頭和消聲器網(wǎng)格劃分模型。

圖1 90°彎頭網(wǎng)格劃分模型

圖2 消聲器網(wǎng)格劃分模型

1．3 設(shè)置邊界條件及求解

考慮排氣管系外表包覆40 mm厚巖棉隔熱層，從排氣總管出口到消聲器出口溫降不到20℃，流體介質(zhì)簡(jiǎn)化為絕熱無滑移流動(dòng)。柴油機(jī)在額定功率時(shí)，排氣流量為1.3 m3，計(jì)算得排氣速度為26.5 m/s，該流速為低音速，可視為不可壓縮流體，排氣管出口端為大氣。由Re=ρvD/μ計(jì)算出雷諾數(shù)為2.2×105，最后由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出湍流強(qiáng)度為0.04，水力直徑為0.5 m。邊界條件設(shè)置為速度入口，壓力出口，壁面絕熱無滑移，采用SIMPLEC算法對(duì)所選擇的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型進(jìn)行求解［8］。

2 模擬結(jié)果分析

2．1 90°彎頭流場(chǎng)分析

圖3為90°彎頭在Y=0時(shí)XZ截面的靜壓云圖。

圖3 90°彎頭Y=0截面壓力場(chǎng)

圖4 90°彎頭Y=0截面速度場(chǎng)

圖3中的壓力值都是相對(duì)于出口端面為一個(gè)大氣壓下的值。壓力損失包括局部和沿程壓力損失，局部壓力損失是由于氣流方向和流速發(fā)生變化產(chǎn)生的，發(fā)生局部壓力損失的地方往往會(huì)形成較強(qiáng)的漩渦、氣動(dòng)噪聲，并發(fā)生強(qiáng)烈的撞擊現(xiàn)象。圖4為90°彎頭在Y=0時(shí)XZ截面的速度云圖。由圖4可見，氣流平順流過彎頭，由于燃燒氣體通過彎頭的離心力不同，在彎頭的下游氣流出現(xiàn)分離，速度變化很大，速度在彎頭下游外側(cè)壁面出現(xiàn)最大值，在彎頭下游內(nèi)側(cè)出現(xiàn)最小值。根據(jù)仿真結(jié)果，計(jì)算入口與出口的壓差為147.6 Pa，即為90°彎頭在額定功率下排氣壓力損失。

2．2 排氣消聲器流場(chǎng)分析

圖5為消聲器在Y=0時(shí)XZ截面的靜壓云圖。

圖5 消聲器Y=0截面壓力場(chǎng)

圖5中的壓力值都是相對(duì)于出口端面為一個(gè)大氣壓下的值。壓力損失包括局部和沿程壓力損失，局部壓力損失是由于截面突變產(chǎn)生的，在入口截面的地方形成較強(qiáng)的漩渦、氣動(dòng)噪聲，并發(fā)生強(qiáng)烈的撞擊現(xiàn)象。圖6為消聲器在Y=0時(shí)XZ截面的速度云圖。

圖6 消聲器Y=0截面速度場(chǎng)

由圖6可見，氣流通過入口管道進(jìn)入擴(kuò)張腔時(shí)流速有所增加，在消聲器入口端外側(cè)形成漩渦，造成能力損失，擴(kuò)張腔流速比較均勻，當(dāng)從出口管道流出時(shí)，此時(shí)氣流被壓縮，生成漩渦，流速明顯增加。根據(jù)仿真結(jié)果，計(jì)算入口與出口的壓差為486.4 Pa，即為消聲器在額定功率下排氣壓力損失。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

3．1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

柴油機(jī)在額定功率下，采用畢托管原理對(duì)柴油機(jī)排氣總管出口端和消聲器出口端進(jìn)行壓力測(cè)量，圖7為排氣系統(tǒng)平面圖，則讀數(shù)p1、p2兩者之差為964.7 Pa，即為該排氣系統(tǒng)的壓力損失。

圖7 排氣系統(tǒng)平面示意

3．2 對(duì)比分析

根據(jù)排氣系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置情況，包括有3個(gè)90°彎頭和一個(gè)單擴(kuò)張消聲器，計(jì)算出該系統(tǒng)總的壓力損失為929.2 Pa，與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值964.7 Pa相差不大。認(rèn)為誤差主要是由于排氣管路系統(tǒng)中布置有膨脹節(jié)，產(chǎn)生了一部分的沿程阻力損失，在模擬仿真中沒有考慮進(jìn)去。另外，模擬仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有一定的誤差，并且誤差在允許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了對(duì)排氣系統(tǒng)壓力損失仿真結(jié)果的可靠性。

4 結(jié)論

1)建立CFD數(shù)學(xué)模型，通過FLUENT進(jìn)行求解，將90°彎頭和消聲器壓力損失的模擬結(jié)果分別進(jìn)行疊加，計(jì)算出的壓力損失與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合良好，驗(yàn)證了將排氣管系中主要的阻力部件壓力損失疊加能可靠地預(yù)測(cè)整個(gè)排氣管系的壓力損失。

2)通過模擬仿真，90°彎頭內(nèi)外側(cè)和消聲器截面突變出口端面處形成了較強(qiáng)的漩渦，產(chǎn)生的壓力損失較大。

3)船舶排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初始階段，當(dāng)已知某柴油機(jī)的性能參數(shù)的情況下，根據(jù)初步設(shè)計(jì)的船舶動(dòng)力排氣管系，通過數(shù)值分析可以評(píng)估全程排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否合理，結(jié)合需配置的消聲器的聲學(xué)性能，最終完成排氣系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

［1］孫海鷗，曹松棣，張文平.船用排氣消聲器阻力特性研究［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，23(6):27-30.

［2］劉學(xué)智，胡習(xí)之.單腔擴(kuò)張式消聲器CFD數(shù)值分析［J］.機(jī)床與液壓，2013，41(9):141-149.

［3］于利偉，朱漢華，鐘駿杰，等.多相流試驗(yàn)臺(tái)管道上彎管內(nèi)流場(chǎng)分析［J］.船海工程，2007，36(2):41-43.

［4］方建華.基于CFD的工程機(jī)械抗性消聲器設(shè)計(jì)與性能分析［D］.濟(jì)南:山東大學(xué)，2009.

［5］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析:CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［6］JI ZH L，SELAMET A.Boundary element analysis of three-pass perforated duct mufflers［J］.Noise Control Engineering Journal，2000，48(5):151-156.

［7］SELAMET A，DENIA F D，BESA A J.Acoustic behavior of circular dual-chamber mufflers［J］.Journal of Sound and Vibration，2003，265(5):967-985.

［8］ABOM M.Derivation of Four-pole Parameters Including Higher Order Mode Effects for Expansion Chamber Muffler with Extended Inlet and Outlet［J］.Journal of Sound and Vibration，1990，137(3):403-418.

Flow Field Analysis of Ship Exhaust System Based on CFD

YU Si-qiana，GUO You-danb，GUO Leia，WANG Ganga
(a.College of Marine Engineering; b.College of Mechanical and Energy Engineering，Jimei University，Xiamen Fujian 361021，China)

The computational fluid dynamics(CFD)method is used to study the flow resistance and its characteristics of marine exhaust piping.The numerical simulation and experiment on the exhaust pipe resistance of the 90°elbow and flow characteristics of the exhaust muffler are carried out to analyze the pressure and velocity distribution in the piping system，as well as the mechanism and the change law of the local component resistance loss.The simulation results and experimental results are basically consistent.The results show that the CFD method is reliable to analyze the flow field of ship exhaust piping，which is helpful to reduce the pressure loss of ship exhaust system and the fuel consumption of the ship＇s power plant.

exhaust system;elbow;exhaust muffler;pressure loss;numerical simulation

U661.1;U664.84

A

1671-7953(2015)02-0067-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.018

2014-08-25

修回日期:2014-11-08

福建省自然科學(xué)基金(2014J0120)

余思騫(1985-)，男，碩士生

研究方向:船舶與海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)制造

E-mail:yusiqian@126.com