基于CFD的船舶排氣管系流場分析

余思騫，郭幼丹，郭雷，王剛

(集美大學a.輪機工程學院;b.機械與能源工程學院，福建 廈門 361021)

基于CFD的船舶排氣管系流場分析

余思騫a，郭幼丹b，郭雷a，王剛a

(集美大學a.輪機工程學院;b.機械與能源工程學院，福建 廈門 361021)

為了解船舶排氣管系的阻力及其流動特征，運用計算流體力學(CFD)中數值模擬和試驗的方法，對排氣管90°彎頭和單擴張抗性排氣消聲器的流動特征進行數值模擬和試驗，分析管系中的壓力分布和速度分布，探討部件阻力損失機理和變化規律，模擬結果和試驗結果基本吻合。結果表明，CFD方法對船舶排氣管系的流場分析具有可靠的預測性，可為降低船舶排氣系統壓力損失和船舶動力裝置油耗提供依據。

排氣管系;彎頭;排氣消聲器;壓力損失;數值模擬

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。排氣管系的空氣動力性能是評價動力裝置的一項重要指標，反映了系統對氣流阻力的大小，氣動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，設計排氣管系要求氣流壓力損失要盡量小，同時也要兼顧聲學性能，以免造成整個動力裝置的效率降低。目前，針對排氣消聲器的阻力特性和數值分析的研究相對較多［1-2］，而排氣在流經彎管處流場的擾動特別大，其流動速度和管流壓力等參數發生明顯的變化，產生較大的壓力損失［3］，因此研究整個排氣管系的流場十分必要。為此，以某實船排氣管系為研究對象，對排氣管90°彎頭和單擴張抗性排氣消聲器阻力損失大的構件進行流場分析，分析了排氣管系壓力損失的主要原因，通過運用計算流體力學(CFD)中數值模擬和實驗相結合的方法，驗證了模擬結果的可靠性。

1 數值模擬

1．1 數學模型

根據船舶動力裝置排氣流場的氣動特征，將其視為可壓縮黏性流動，通過三維數值模擬湍流模型進行求解。排氣流場的仿真研究，首先需要對彎頭和消聲器的工作條件作如下簡化［4］:①固體區和流體區的物理性能參數均為常數;②流體為定常流動中的湍流;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。

其流體數學模型包括連續方程、運動方程、能量方程、湍流輸運方程及湍動黏度方程，一起構成控制方程。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——廣義擴散系數;

S——廣義源項。

現介紹湍流輸運方程［6］κ方程

表1 湍流模型經驗系數

采用CFD的方法對彎頭和消聲器內部流場進行數值分析，通過求解湍流動能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的值計算湍流粘度;通過Boussinesq理論假設得到雷諾應力的解，最后對控制方程組封閉進行求解。

1．2 建立CFD模型

根據某船舶的機艙排氣管系布置，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90°彎頭半徑為1.5D，排氣消聲器采用單擴張抗性消聲器，結構長度為1 000 mm、直徑為520 mm、壁厚10 mm。

首先用ICEM CFD對90°彎頭和消聲器分別建立三維模型，然后用ICEM CFD劃分為適應較強的結構化六面體網格。結構化網格雖然前期人工量大，但是，具有對計算機要求不是很高及計算過程中容易收斂的優點。在網格生成時，對彎頭角度突變或消聲器截面突變的地方進行手動調整，以確保網格線平滑，避免有局部太大的扭曲，提高網格劃分質量。本文所分析的模型網格質量均在94%以上，合理的網格線分布不僅對計算精度有直接影響，甚至會影響計算過程的收斂性。圖1和圖2分別是90°彎頭和消聲器網格劃分模型。

圖1 90°彎頭網格劃分模型

圖2 消聲器網格劃分模型

1．3 設置邊界條件及求解

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℃，流體介質簡化為絕熱無滑移流動。柴油機在額定功率時，排氣流量為1.3 m3，計算得排氣速度為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計算出雷諾數為2.2×105，最后由經驗公式計算出湍流強度為0.04，水力直徑為0.5 m。邊界條件設置為速度入口，壓力出口，壁面絕熱無滑移，采用SIMPLEC算法對所選擇的標準k-ε雙方程模型進行求解［8］。

2 模擬結果分析

2．1 90°彎頭流場分析

圖3為90°彎頭在Y=0時XZ截面的靜壓云圖。

圖3 90°彎頭Y=0截面壓力場

圖4 90°彎頭Y=0截面速度場

圖3中的壓力值都是相對于出口端面為一個大氣壓下的值。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生變化產生的，發生局部壓力損失的地方往往會形成較強的漩渦、氣動噪聲，并發生強烈的撞擊現象。圖4為90°彎頭在Y=0時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分離，速度變化很大，速度在彎頭下游外側壁面出現最大值，在彎頭下游內側出現最小值。根據仿真結果，計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 排氣消聲器流場分析

圖5為消聲器在Y=0時XZ截面的靜壓云圖。

圖5 消聲器Y=0截面壓力場

圖5中的壓力值都是相對于出口端面為一個大氣壓下的值。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生的，在入口截面的地方形成較強的漩渦、氣動噪聲，并發生強烈的撞擊現象。圖6為消聲器在Y=0時XZ截面的速度云圖。

圖6 消聲器Y=0截面速度場

由圖6可見，氣流通過入口管道進入擴張腔時流速有所增加，在消聲器入口端外側形成漩渦，造成能力損失，擴張腔流速比較均勻，當從出口管道流出時，此時氣流被壓縮，生成漩渦，流速明顯增加。根據仿真結果，計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 實驗數據與數值模擬結果對比

3．1 現場實驗

柴油機在額定功率下，采用畢托管原理對柴油機排氣總管出口端和消聲器出口端進行壓力測量，圖7為排氣系統平面圖，則讀數p1、p2兩者之差為964.7 Pa，即為該排氣系統的壓力損失。

圖7 排氣系統平面示意

3．2 對比分析

根據排氣系統現場布置情況，包括有3個90°彎頭和一個單擴張消聲器，計算出該系統總的壓力損失為929.2 Pa，與現場測量值964.7 Pa相差不大。認為誤差主要是由于排氣管路系統中布置有膨脹節，產生了一部分的沿程阻力損失，在模擬仿真中沒有考慮進去。另外，模擬仿真與現場試驗有一定的誤差，并且誤差在允許范圍內，驗證了對排氣系統壓力損失仿真結果的可靠性。

4 結論

1)建立CFD數學模型，通過FLUENT進行求解，將90°彎頭和消聲器壓力損失的模擬結果分別進行疊加，計算出的壓力損失與實驗數據吻合良好，驗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測整個排氣管系的壓力損失。

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

3)船舶排氣系統設計的初始階段，當已知某柴油機的性能參數的情況下，根據初步設計的船舶動力排氣管系，通過數值分析可以評估全程排氣系統設計是否合理，結合需配置的消聲器的聲學性能，最終完成排氣系統的優化設計。

參考文獻

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

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

［4］方建華.基于CFD的工程機械抗性消聲器設計與性能分析［D］.濟南:山東大學，2009.

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［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.

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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

福建省自然科學基金(2014J0120)

余思騫(1985-)，男，碩士生

研究方向:船舶與海洋結構物設計制造

E-mail:yusiqian@126.com