基于 CFD 的船舶貨艙通風數值模擬

張 琪，陳 鴿，張利軍，曹 凱，段 菲

(中遠船務工程集團有限公司技術中心，遼寧 大連 116600)

基于 CFD 的船舶貨艙通風數值模擬

張 琪，陳 鴿，張利軍，曹 凱，段 菲

(中遠船務工程集團有限公司技術中心，遼寧 大連 116600)

以某集裝箱船的貨艙通風系統為研究對象，根據船舶艙室的通風系統的特點，采用合理的數值模擬方法，并利用拉格朗日粒子示蹤的方法描述艙室中的氣體流動狀況。在此基礎上，分析比較 3 種不同的通風設計方案，通過對比分析研究送風管上開孔朝向和數目對通風效果的影響，確定對通風最有利的方案。模擬結果表明，應用 CFD 技術進行通風系統分析，可以很好地從流場的分布特性以及空氣粒子的運動追蹤等方面來評估設計方案的優劣，為通風系統的設計、優化提供有力的工具。

貨艙；通風；拉格朗日粒子；CFD

0 引 言

在船舶設計過程中，無論是船上人員和機器設備都需要合理的通風環境，通風系統的設計是其中重要的一環。在考慮船舶經濟性和相關規范規則要求的前提下，為船上人員創造安全和舒適的生活環境是設計人員的首要任務。

目前艙室內的通風狀況主要靠煙霧測試來檢驗。但是煙霧測試只有在建造工作基本完成后方能進行，無法在前期設計階段提供指導。與傳統的理論計算及模型試驗預報方法相比，CFD（計算流體力學）技術方便實現無觸點流場測量，加之強大的結果后處理功能使得貨艙通風的預報更加方便、廉價和直觀。目前CFD 應用軟件已經在通風系統的預報方面發揮重要作用，國內學者在相關領域也做了大量的研究工作，如郭昂等[1]對船舶機艙通風系統進行了數值模擬，并針提出了機艙氣流改進方案；王亞瑩、張衛東等[2-3]研究了房間內的氣流組織特性以及人在室內的舒適性；江宇等[4]針對機艙的通風方式對溫度場的影響進行了重點分析；余建星等[5]對 LNG 預冷天然氣分液罐重氣泄漏后擴散的過程進行了模擬。隨著 CFD 技術在工程上的應用日益廣泛，將有效改變以往單憑經驗的粗放式設計，使通風系統設計更加精細合理。

拉格朗日粒子示蹤方法是揭示流體運動規律的一種有效的研究方法，該方法目前已在多個領域得到應用，如王佳男等[6]基于示蹤粒子法對彎曲微通道中液滴內部的混合狀態演變過程進行了數值模擬；楊曄等[7]對核事故后放射性核素的彌散分布以及擴散規律展開了研究。但目前將該方法應用于船舶通風的系統模擬還不多見。

本文對某船舶的貨艙通風情況進行分析，并在貨艙內的空氣流場中引入拉格朗日粒子模型對流體運動進行標記，旨在判別空氣在艙室內部的流通是否順暢，有無空氣流通死角，保障人員在艙內的安全性與舒適性。

1 研究對象

以某集裝箱船為研究對象，該集裝箱有多個貨艙，其中 2 號貨艙的遮蔽區域較多，具有一定的代表性，故針對該貨艙展開研究。首先依據 CAD 圖紙對艙室進行三維建模，建好的貨艙 2 幾何模型如圖 1 所示，該貨艙的空間大小為：長 28.5 m，寬 17.6 m（半寬），高 19.5 m。

2 數值模擬

2.1 設計方案

為了比較送風管上的開孔朝向對通風系統的影響，在保證排風系統的管路和艙室布置均不變的情況下制定了 3 種設計方案：方案 1 為初始設計方案，送風管上的開孔大小為 0.55 m × 0.55 m 朝向前方的集裝箱；方案 2 相較于方案 1 開孔大小不變僅將方向改為朝向舷側；方案 3 則在保證送風管上開孔總面積不變的前提下，將方案 1 中的 2 個 0.55 m × 0.55 m 的開孔改為 3 個等間距分布的 0.45 m × 0.45 m 開孔。艙室內共有前后 2 個送風管，形式基本相似。圖 2 以后面的送風管（圖 1 inlet01 處）為例來展示 3 種設計方案的區別。

2.2 計算模型

2.2.1 湍流模型及基本假設

采用 CFD 軟件 STAR-CCM+ 對貨艙通風進行模擬，認為管內氣流為充分發展的湍流流動，并且需要考慮渦旋，因此選擇 Realizable k-ε 湍流模型[8]。按照進風管的截面面積估算后可知管內的最大風速約為 18 m/s，馬赫數遠未達到 0.3，可視為不可壓縮氣體流動。假定艙內溫度恒定無熱量變化，同時假定艙內密封良好，不考慮漏氣的情況。

2.2.2 拉格朗日粒子示蹤模型

采用拉格朗日粒子示蹤方法通常用來描述計算區域內流場和顆粒的相互作用，同時得到顆粒的運動軌跡。計算中，流體作為連續相，采用歐拉法進行處理，固體顆粒作為離散相，用拉氏模型處理。而本次數值模擬中，固體粒子并不是真實存在的，因此不需要指定粒子的具體形狀、大小和材料屬性等。只需假定粒子的質量為 0，此時粒子與流場間不存在實際的相互作用關系，對空氣流動無干擾，僅起到示蹤的作用。

2.3 邊界條件

該貨艙可分為前后 2 個部分，貨艙后半部布置了 1個送風口 inlet01 及 2 個排風口 outlet01 和 outlet02，前半部布置了 1 個送風口 inlet02 及 3 個排風口 outlet03、04 和 05（見圖 1）。其中，出口處的壓力值與外界大氣壓一致，為自然通風；墻體的邊界條件設置為壁面。由于本次模擬并不涉及到溫度、輻射和傳熱等能量交換，所以墻體不需要進行特別參數的設定。墻體在這個模擬中僅僅是起到了一個阻礙流體流動的作用。各邊界面的邊界條件如表 1 所示。

表 1 邊界條件Tab. 1 Boundary conditions

2.4 網格劃分

這個艙室模型即為計算域，網格劃分時，對隔板、樓梯以及管壁的邊界處的網格進行了局部加密，以提升邊界層的計算精度，整個計算流域網格總數為320 萬。

3 計算結果比較

空氣入口附近區域通常都能滿足通風的要求，因此計算完成后選取遠離送風管開孔的 10 個典型截面進行研究，截面的位置如圖 3 所示。在艙室的后部 x = 0.56 m 的位置，自下而上編號依次為 1～5；在艙室的前部 x = 14.76 m 的位置，自下而上編號依次為6～10。

圖 4（a）中自下而上分別代表方案 1 貨艙后半部編號為 1 ～ 5 五個典型截面上的速度分布情況；圖 4（b）中自下而上分別代表貨艙前半部編號 6 ～ 10 五個典型截面上的速度分布情況；圖 5 和圖 6 中同理，表示方案 2 和方案 3 從 1 ～ 10 十個截面上的速度分布情況。

為了定量比較 3 種方案的貨艙內通風情況，將各截面中的平均風速和最大風速進行比較，如表 2 所示。

分析表 2，比較各個截面平均風速的變化可知，方案 2 設計相比于方案 1 有 6 個截面的平均風速得到了提高，其他 4 個截面的平均風速降低，其中平均上升幅度為 51.0%，平均下降幅度為 13.5%；方案 3 相比于方案 1 僅有 4 個截面的平均風速得到了提高，其他6 個截面的平均風速降低，其中平均上升幅度為25.1%，平均下降幅度為 29.8%。由此可知與方案 1 相比，方案 2 對 10 個重點監測區域的空氣流通情況有較好的改善，而方案 3 的通風狀況基本沒有得到改善。

在貨艙通風計算過程中，采用拉格朗日粒子示蹤的方法有助于更好地監測艙內空氣的流通軌跡。通過在速度入口 inlet01 和 inlet02 處添加示蹤粒子的發射源，使粒子不斷地隨入口處的氣流一同進入貨艙中，同時對粒子的位置和速度進行實時監測。圖 7 中 6 幅圖片分別表示物理時間 t = 15 s 和 t = 30 s 時 3 種方案的粒子示蹤情況，其中艙內的矩形方框代表集裝箱。

比較圖 7（a）、圖 7（b）和圖 7（c）可看出， t = 15 s 時，方案 1 和方案 3 中的粒子主要集中在貨艙的一角，而方案 2 中的粒子很快從送風管上的開孔向周圍擴散；從圖 7（d）至圖 7（f）中可看到，t = 30 s 時，方案 1 和方案 3 只有很少量的粒子到達排風管，而方案2 中的粒子則明顯擴散的更快。由此可知，相較于方案 1，方案 2 中的艙內空氣流動更均勻，流動的速度也更快，而方案 3 中的通風狀況并沒有明顯的變化，該結論與前面表 2 中數據所反映的情況是一致的。

表 2 三種方案中各截面中的平均風速和最大風速Tab. 2 The average and maximum value of air velocity of each cross section of three plans

4 結 語

本文利用 CFD 技術對船舶貨艙的通風情況進行數值模擬，得到了貨艙內的氣流速度分布情況，并利用拉格朗日粒子示蹤的方法對貨艙的原有空氣與后吹入的空氣加以區分，且更加直觀地觀察到吹入艙內的氣體流動軌跡。通過對 3 種設計方案進行分析比較，最終確定了更合理的方案。整個數值模擬方法及其結果為工程設計提供了參考依據，通過以上的數值模擬可以得到以下結論：

1）在送風管風量一定的情況下，方案 2 將送風管上開孔朝向空間更開闊的舷側，有效減少了不必要的氣流流速損失。數據分析結果表明，在重點關注的區域方案 2 無論從空氣的流通速度還是流動的均勻性都明顯優于方案 1 和方案 3；

2）方案 3 在保證送風管上開孔總面積不變的情況，增加了開孔數目，結果表明開孔數目增多對該貨艙通風狀況影響并不明顯；

3）拉格朗日粒子軌跡示蹤的方法直觀地反映了氣體流入到流出的動態情況，可做為觀察空氣流通狀況的重要手段，該方法同樣可以應用于艙室內污染物擴散的研究。

4）貨艙內的通風系統設計方案除了考慮送風管上開孔的朝向和數目外還有很多影響因素，如送風管的布置、開孔的位置等，有待在后續的工作中進一步研究。

[1]郭昂, 郭衛杰, 王馳明, 等. 船舶機艙機械通風數值模擬分析和優化設計[J]. 中國艦船研究, 2014(3): 93-98. GUO Ang, GUO Wei-jie, WANG Chi-ming, et al. Numerical simulation and optimization design of ship engine room ventilation system[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2014(3): 93-98.

[2]王亞瑩, 杜明, 王美波, 等. 海洋平臺房間通風流場模擬[J]. 中國造船, 2010(S1): 46-50.

[3]張衛東, 王世忠, 王新海, 等. 船舶艙室空調送風優化技術[J].艦船科學技術, 2011, 33(2): 121-125. ZHANG Wei-dong, WANG Shi-zhong, WANG Xin-hai, et al. The technology of air conditioning and ventilation optimization in ship chambers[J]. Ship Science and Technology, 2011, 33(2): 121-125.

[4]江宇, 宋福元, 李彥軍, 等. 船舶機艙通風數值模擬分析[J]. 艦船科學技術, 2012, 34(8): 52-55, 59. JIANG Yu, SONG Fu-yuan, LI Yan-jun, et al. Numerical simulation of ventilation and analysis in ship engine room[J]. Ship Science and Technology, 2012, 34(8): 52-55, 59.

[5]余建星, 張龍, 劉源, 等. 浮式生產裝置LNG預冷天然氣分液罐泄漏擴散模擬研究[J]. 船舶工程, 2013(3): 104-107.

[6]王佳男, 王嘉駿, 馮連芳, 等. 彎曲微通道中液滴內混合過程的數值模擬研究[J]. 高校化學工程學報, 2014(2): 218-222.

[7]楊曄, 曹博, 陳義學. 拉格朗日粒子模型在核事故應急中的開發與應用[J]. 原子能科學技術, 2013(S2): 712-716.

[8]倪崇本, 朱航, 丁金鴻, 等. LNG船機艙內通風氣流組織的數值分析[J]. 船舶工程, 2014(3): 57-61.

Numerical simulation for the ventilation system of a vessel cargo hold based on CFD

ZHANG Qi, CHEN Ge, ZHANG Li-jun, CAO Kai, DUAN Fei
(Technical Center, COSCO Shipyard Group Co. Ltd., Dalian 116600, China)

The ventilation system of a container ship's cargo hold has been simulated based on the actual ventilation conditions by utilizing CFD. Reasonable numerical method is used based on the characteristics of ventilation system. And the air flow is described through the tracing method of Lagrangian particle. In consideration of the influence of the number and facing directions of holes on air supply pipes, three different design plans are simulated. Finally the best one is found by comparing different design plans. The simulation results show that the CFD technology is conducive to design of ventilation in a vessel cargo and provides a powerful tool for improving the performance of ventilation system.

cargo hold；ventilation；Lagrangian particle；CFD

U664.8

A

1672 - 7619(2017)02 - 0048 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.009

2016 - 06 - 01；

2016 - 07 - 14

張琪(1990 - )，男，碩士，研究方向為船舶計算流體力學。