典型艦船通風(fēng)圍阱氣流組織數(shù)值模擬

馬英華，張益誠，王　洋，周　榕

(1.海軍裝備部 駐沈陽地區(qū)軍事代表局，沈陽 110031; 2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

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典型艦船通風(fēng)圍阱氣流組織數(shù)值模擬

馬英華1，張益誠2，王洋2，周榕2

(1.海軍裝備部 駐沈陽地區(qū)軍事代表局，沈陽 110031; 2.中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

摘要：針對采用了導(dǎo)流板和未采用導(dǎo)流板的兩種典型艦船通風(fēng)圍阱結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)，利用計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)，建立實船典型圍阱結(jié)構(gòu)模型，并對該模型的速度場和氣流壓力分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明，導(dǎo)流板通過使風(fēng)道截面平滑過渡，能明顯改善圍阱內(nèi)的流動阻力，是優(yōu)化通風(fēng)圍阱設(shè)計的有效方法。

關(guān)鍵詞：圍阱；CFD；船舶通風(fēng)

通常軍用艦船艙室相對封閉、人員密集、設(shè)備復(fù)雜且容易出現(xiàn)空氣污染的情況[1]。艦船通風(fēng)系統(tǒng)用于排除艙室內(nèi)的渾濁和高溫空氣，并輸入外界的新鮮空氣，保障船員的工作和生活條件，提供設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境[2]。通風(fēng)圍阱是艦船與大氣之間空氣流動的通道，是艦船通風(fēng)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一[3]。針對艦船艙室特點(diǎn)，優(yōu)化通風(fēng)圍阱結(jié)構(gòu)設(shè)計是保障艦船艙室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要手段。通過改善圍阱設(shè)計，減小圍阱內(nèi)空氣的流動阻力，不僅有利于艦船艙室內(nèi)的換氣效率，而且能減小空氣流動產(chǎn)生的噪聲[4]。計算流體動力學(xué)(CFD)技術(shù)是設(shè)計流體機(jī)械結(jié)構(gòu)的有效方法[5-6]，通過建立典型艦船通風(fēng)圍阱模型，對空氣流通在其中流動時的速度場和壓力分布進(jìn)行模擬計算，分析其流動特性，優(yōu)化通風(fēng)圍阱設(shè)計。

1圍阱內(nèi)空氣流動特性

空氣在流過通風(fēng)圍阱時，其壓力損失包括沿程損失和局部損失[7-8]。

典型通風(fēng)圍阱的結(jié)構(gòu)模型如圖1所示，兩圍阱大小相同，圍阱內(nèi)結(jié)構(gòu)橫向貫穿整個圍阱，且四個T形梁結(jié)構(gòu)等間距布置在整個斜面上。圖1a)安裝有導(dǎo)流板，圖1b)沒有導(dǎo)流板。空氣從圍阱頂部進(jìn)風(fēng)，底部出風(fēng)。

圖1　典型通風(fēng)圍阱二維結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述圍阱結(jié)構(gòu)，采用GAMBIT建立二維模型，采用FLUENT模擬圍阱內(nèi)風(fēng)速分別為5 m/s時兩圍阱內(nèi)空氣流動情況[9-10]。圍阱內(nèi)壓力分布模擬結(jié)果見圖2，速度云圖見圖3。

圖2　風(fēng)速為5 m/s時圍阱內(nèi)空氣壓力分布云圖

圖3　風(fēng)速為5 m/s時圍阱內(nèi)空氣速度分布云圖

對比分析壓力云圖和速度云圖可以看出，當(dāng)空氣穿過不帶導(dǎo)流板的通風(fēng)圍阱時，由于氣流會迎面撞向通風(fēng)圍阱內(nèi)的T形梁(正好是迎風(fēng)結(jié)構(gòu))，流經(jīng)風(fēng)道的風(fēng)在T形梁的迎風(fēng)面處產(chǎn)生流動滯止現(xiàn)象，速度減小為0 m/s，產(chǎn)生滯止靜壓區(qū)，在流道中形成高壓區(qū)，減少了有效的通流面積，導(dǎo)致主流的速度額外加大。

同時，由于T形梁對流動的阻擋作用，背風(fēng)處由于繞流形成渦旋流動，導(dǎo)致通過的流體的能量損失。在梯子背風(fēng)處的空氣流速瞬間減小，因而梯子的背風(fēng)處會產(chǎn)生負(fù)壓，且T形梁之間的區(qū)域的靜壓值要比主流區(qū)域的靜壓值低，所以主流區(qū)域會有部分空氣進(jìn)入2個梯子之間的區(qū)域，產(chǎn)生渦旋，這進(jìn)一步增大了局部壓力損失，該局部損失在壓力損失中占主要地位。以上2個原因?qū)е略诓患友b導(dǎo)流板時，氣流經(jīng)過通風(fēng)圍阱的壓力損失較大。

而當(dāng)風(fēng)經(jīng)過帶導(dǎo)流板的通風(fēng)圍阱時，雖然風(fēng)在通風(fēng)圍阱入口的漸縮段會產(chǎn)生一定的局部阻力損失，但是沿導(dǎo)流板方向還有一定的速度分量，無論是漸縮段還是漸擴(kuò)段，速度變化都是漸變的，局部阻力要比不帶導(dǎo)流板時的小。而且?guī)?dǎo)流板時通風(fēng)圍阱的中間一段的風(fēng)速是不變的，斷面風(fēng)速比較均勻，只需要考慮沿程損失，從計算結(jié)果看沿程損失要遠(yuǎn)小于局部損失。不帶導(dǎo)流板的通風(fēng)圍阱中的風(fēng)速變化往往比較大，所以帶導(dǎo)流板的通風(fēng)圍阱的動壓損失遠(yuǎn)小于不帶導(dǎo)流板時通風(fēng)圍阱的動壓損失。

2壓力損失與風(fēng)速的關(guān)系

采用相同的模擬方法計算在不同風(fēng)速情況下(8，10，13 m/s)空氣流經(jīng)圍阱的壓力損失(不包含通風(fēng)圍阱進(jìn)口與出口與外界之間的流動變換而導(dǎo)致的壓力損失)。模擬結(jié)果見圖4～7。

圖4　無導(dǎo)流板圍阱內(nèi)空氣壓力分布云圖

圖5　有導(dǎo)流板圍阱內(nèi)空氣壓力分布云圖

圖6　無導(dǎo)流板圍阱內(nèi)空氣速度分布云圖

圖7　有導(dǎo)流板圍阱內(nèi)空氣速度分布云圖

通過比較不同風(fēng)速情況下圍阱內(nèi)氣流組織情況，可以看出，隨著風(fēng)速的增大，無導(dǎo)流板的圍阱內(nèi)T形梁的迎風(fēng)面處局部壓力損失顯著增大，背風(fēng)面的負(fù)壓值明顯升高，同時速度分布不均勻性加劇。而在帶導(dǎo)流板的圍阱內(nèi)，隨著風(fēng)速增大，盡管壓力變化梯度增大，但速度分布仍呈現(xiàn)為比較均勻的狀態(tài)。

以FLUENT模擬得到2種通風(fēng)圍阱的進(jìn)、出口壓力及之間的壓力損失結(jié)果見表1、2。

整理計算結(jié)果，得到圍阱內(nèi)壓力損失與速度的關(guān)系見圖8。

對上述壓力損失的模擬結(jié)果進(jìn)行二次多項式擬合，得到沿程流動阻力與風(fēng)速的關(guān)系。

表1　無導(dǎo)流板時通風(fēng)圍阱壓力損失與速度關(guān)系Pa

表2　帶導(dǎo)流板時通風(fēng)圍阱壓力損失與速度關(guān)系Pa

圖8　兩種通風(fēng)圍阱的壓力損失與風(fēng)速的關(guān)系

擬合結(jié)果表明，帶導(dǎo)流板的通風(fēng)圍阱的壓力損失要遠(yuǎn)小于不帶導(dǎo)流板的通風(fēng)圍阱。通風(fēng)圍阱在加裝導(dǎo)流板后，減小流道壓力損失的作用顯著，能有效降低流動損失，特別是在風(fēng)速較大的情況，優(yōu)化效果更為顯著。

3結(jié)論

在無導(dǎo)流板的通風(fēng)圍阱內(nèi)，由于在T形梁結(jié)構(gòu)附近存在滯止現(xiàn)象，導(dǎo)致實際流道變窄，空氣流動阻力較大，且氣流速度呈現(xiàn)出不均勻的衰減。部分空氣高速流動，降低了流動效率，容易產(chǎn)生較大的噪聲。而在帶導(dǎo)流板的通風(fēng)圍阱內(nèi)，風(fēng)速呈現(xiàn)為逐漸變化的狀態(tài)，流動阻力小于無導(dǎo)流板的通風(fēng)圍阱。因此，在通風(fēng)圍阱中加裝導(dǎo)流板可以起到減小風(fēng)流動的壓力損失，尤其是對于風(fēng)速較大的通風(fēng)圍阱，設(shè)置導(dǎo)流板是必要的優(yōu)化方式。

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Numerical Simulation of Air Distribution in Typical Ship Ventilation Wells

MA Ying-hua1, ZHANG Yi-cheng2, WANG Yang2, ZHOU Rong2

(1 Shenyang Military Representative Office of Naval Equipment Department, Shenyang 110031, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:According to the structural forms and features of the two typical ventilation wells, with or without a air deflector, the simulation models are established. The flow characteristics of air in two typical ship's air wells are studied by CFD technology. The numerical results of pressure distribution and velocity field show that the air deflector can smooth the flow in the air channel, is an effective method to optimize ship ventilation wells by reducing pressure loss.

Key words:ventilation wells; CFD; ship ventilation

中圖分類號：U674.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0024-03

第一作者簡介：馬英華(1985-)，男，學(xué)士，工程師E-mail:yc.zhang@foxmail.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.007

修回日期：2016-01-21

研究方向:裝備質(zhì)量管理