船舶淡水冷卻系統三通管溫度場的設計與模擬研究

梁思泰

上海海事大學商船學院

0 引言

船舶內的發動機安全運行是船舶運行的重要保障，要保證船舶發動機穩定運行需要一個正常的溫度。發動機在運行時會散發出熱量，船舶淡水冷卻系統作為船舶運行的必要設備，其組成部分中的三通管至關重要[1-3]，因此，溫度場數值模擬非常關鍵[4]。船舶淡水冷卻系統是船舶上用于冷卻發動機等設備的系統，由三通閥、膨脹水箱、高低淡水冷卻器、高溫淡由水閥、潤滑油冷卻器等組成。需冷卻部分主要為發動機的活塞與氣缸，見圖1。

圖1 船舶淡水冷卻系統簡圖

本文模擬船舶淡水冷卻系統三通管溫度場內部的流場，通過ANSYS建模仿真進行數值模擬，計算出三通管內部的溫度和壓力分布。然后利用Fluent軟件進行溫度場模擬，經過計算得出三通管的溫度矢量云圖和壓力分布云圖[5-7]。通過模擬船舶淡水系統中的三通管可以呈現出三通管內部的壓力分布和溫度分布，由此判斷管道內部的溫度損失、支路和聯通處的壓力變化。在實際生產過程中對船舶淡水冷卻系統三通管設計有指導作用，對相關的溫度場實驗具有參考價值。

1 三通管的設計與參數

1.1 三通管的分類及材料選擇

根據設計溫度與設計壓力，三通管的管道可分為3個類型，根據不同的發動機選擇不同類型的管道，具體分類見表1。本文系對低速柴油機的溫度模擬，因此選擇Ⅰ級管系。

1.2 溫度設計

確定溫度是溫度場數值模擬的重要環節，溫度需要不斷進行混合測試，使其達到既能減少溫度損耗，又能節約成本，并達到符合冷卻要求的溫度，使船上的發動機處于安全穩定工作狀態。

溫度可以根據《船舶設計實用手冊》確定，具體溫度設計可參照表2。

表2 管內溫度推薦

1.3 管徑設計

管徑可根據三通管的管內流體速度計算，公式如式（1）

di—管子內徑（m）；

qv—體積流量（m3/h）；

v—管內流體流速(m/s)。

qm—質量流量（kg/h）；

ρ—流體密度（kg/m3）；

表1 不同類型三通管的參數

由表2可見，淡水冷卻管吸入管與排放管流速范圍均在1.2 m/s～2.7m/s，在此均選取2m/s。根據船舶任務設計書第一個進口取體積流量為80m3/h，第二個進口取體積流量為40m3/h，根據上述公式得出管子內徑分別為120mm和85mm。三通管尺寸見圖2。

圖2 三通管尺寸圖

2 模型的建立與假設

2.1 建立計算域模型

船舶淡水冷卻系統三通管溫度場數值的模擬仿真是針對三通管的管路內部流場的模擬仿真，可以在忽略壁厚的情況下建立流場計算域模型。本文選擇船舶淡水冷卻系統中三通管的管道建模，所建模型見圖3。

圖3 三通管內部網格圖

在管路中靠近管壁的流體流速約等于零，因此管道網格化時，管壁的網格為矩形，而中間的流通區域為三角形。

2.2 對三通管內流體數值分析

針對所建立的模型，作出以下假設：

1）冷卻水為連續介質流體，流體流動為湍流，不可壓縮牛頓流體；

2）在兩個進水口中分別以①速度值=0.3m/s、湍流強度=5%、水壓直徑=0.15m、溫度=60℃與②速度值=0.1m/s、湍流強度=5%、水壓直徑=0.10m、溫度=80℃為邊界條件進行設置，邊界條件中大部分可以選擇默認值，在設置入口和出口的溫度之后，還需要選擇監控對象，在此選擇具有連續性、殘差的動量方程。經過計算后得到流量監控圖，見圖4。

3 結果分析與討論

圖5為三通管裝置的壓力分布云圖。紅色部分代表壓力較大，藍色部分顯示為負壓。從圖5可見三通管上部壓力較大，在連接處產生負壓現象，而且壓力不符合要求。兩股不同壓力的流體混合后流過同一管道時，在管道交界處壓力最小，在混合管道的末端壓力達到最大。圖6為三通管溫度分布云圖。紅色代表高溫部分，藍色代表低溫部分。兩股不同溫度的流體混合后流過同一管道，混合后的溫度處于兩者之間，且管道越長，出口流體溫度越接近平均值。設定溫度分別為40℃與80℃的兩股流體進入三通管，出口溫度接近60℃，但仍有一定差異。

圖4 流量監控過程圖

圖5 三通管壓力云圖

圖6三通管溫度云圖

圖7 為三通管速度矢量云圖。可以明顯看出，三通管上部為熱流體入口，內部溫度較高，分子較為混亂，流速較大。在三通管交界處冷熱流體進行對流換熱，產生階梯狀溫度場與流速場，有效控制流速可以達到增強換熱的目的。

圖7 速度矢量云圖

4 結論

設計一套應用于船舶淡水冷卻系統的三通管裝置，并利用ANSYS軟件進行建模與網格劃分，利用Fluent軟件進行了仿真計算，從壓力云圖得出以下結論：

1）兩股不同壓力的流體混合后流過同一管道時，在管道交界處壓力最小，在混合管道的末端壓力達到最大。

2）兩股不同溫度的流體混合后流過同一管道，混合后的溫度處于兩者之間，且管道越長，出口流體溫度越接近平均值。

3）兩股不同速度的流體混合后流過同一管道，通過Fluent對三通管的速度場、溫度場和壓力場的數值分析，得出相應的分布圖。