大尺度雙體船機艙通風系統的數值模擬分析和優化設計

郭 昂，王 博，申高展，周鑫濤，吳 憲，郭楊陽，王海寧

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

雙體船因其具有振動小、輻射噪聲低、舒適性好、作業甲板面積大、橫向穩定性和航向穩定性好等諸多優勢，在我國公務船、調查船和軍船等領域均占據十分重要的位置。

大尺度雙體船型深和船寬都比較大，其獨特的雙片體結構形式，泵浦吸高能力對設備位置的限制，加之現行規范、公約對于系統配置和設備冗余度的要求，使得機艙設備繁多、空間擁擠，這給機艙通風系統的設計帶來很大難度。作為船上最為重要的通風系統，機艙通風效果的優劣、氣相組織的合理分布將直接影響到主、輔機的安全穩定運行、電氣元件的使用壽命和船員的作業安全和工作效率[1]；不良的通風會造成局部溫度過高、油氣聚集，并加大火災或爆炸的風險[2,3]。

本文以目前在建的，也是世界最大的小水線面雙體船為例，利用CFD技術進行機艙通風系統的數值模擬，分析其典型截面的氣相組織分布，并進行優化設計[4]。

1 機艙通風系統的物理模型

本船機艙長13 m、寬32 m，最高處19.5 m（不計煙囪高度），機艙總容積3 700 m3。為適應雙片體船型的特點，并滿足規范對于無限航區船舶的系統配置要求以及試驗功能多樣化的需求，本船機艙設備繁多、布置密度高。經機艙熱負荷和最小換氣次數對比計算，本船全負荷工況所需通風量為27.5×104m3/h，通風系統采用4臺送風機（風量7.0×104m3/h，全壓690 Pa），并配套布風器、百葉窗等管路附件。機艙內主要設備和風管布置如圖1所示。

根據機艙段型線圖以及設備認可資料采用Pro/E建立其機艙、艙內設備和風管的物理模型。為滿足有限元網格劃分和計算效率的需要，對復雜繁多的機電設備、管系、電纜進行簡化處理[5-6]：

圖1 機艙主要設備和風管布置Fig. 1 Main equipment and duct layout in the cabin

1）忽略對艙室熱環境和氣流組織影響較小的小功率油/水泵、管系、電纜和配電箱，對外形復雜的機電設備采用規則化處理；

2）忽略對熱環境影響較小、但對網格質量和計算精度產生較大不利影響的煙管。

建立外形尺寸較大以及傳熱量較大的設備的物理模型[7]：4臺3 500 kW的主柴油發電機組、空壓機和空氣瓶組、燃油分油機組、滑油分油機組、低硫油冷水機組、局部細水霧裝置、鍋爐、熱井、焚燒爐、冷卻器、熱水柜、大功率的油/水泵等；對于各層甲板、油水艙、通風管道作去除材料處理；對邊界做無厚度無位移壁面處理。結構和設備的外形尺寸要求與實際尺寸一致，最終得到的機艙物理模型如圖2所示。

圖2 機艙物理模型Fig. 2 Cabin physical model

2 數學模型及邊界條件

2.1 數學模型的建立

采用Ansys/Fluent模塊對機艙內氣相組織進行仿真分析，并選用k-ξ模型進行氣流湍流特性的模擬。為獲得較好的模擬效果，提高計算速率，并突出主要矛盾，做以下理想化處理[8]：

1）流體為不可壓縮理想氣體，流態為穩態流動過程；

2）除了主風機進氣、煙囪和主機排氣，門窗處于正常使用狀態時的關閉狀態，艙內密封良好，無漏氣現象；

3）艙壁采用A-60級絕熱材料包覆，無凝水或傳熱現象，作為絕熱壁處理。

2.2 邊界條件的設置

利用ICEM對物理模型幾何實體進行網格劃分及質量評定。采用對復雜實體適應性較強的全自動非結構網格劃分方式，對畸形角點進行必要的修補和光順處理，對進出風口、設備壁面以及結構轉角線進行網格加密處理，最終得到網格數量450 W[9]。網格檢驗圖像中，網格體積均為正值，大于0.3的網格占99.5%，網格質量評定較好。模擬工況：外界環境為305 K、標準大氣壓；船舶重載，發電機組、空壓機、空調設備、配套泵浦等全負荷工況運行。根據模擬工況和設備資料進行模型邊界條件的設置，如表1所示。

表1 邊界條件設置Tab. 1 Sets of boundary conditions

3 模擬過程和結果分析

選取機艙送風口為計算初始點，經1503次迭代計算收斂后，選取人員經常巡視和作業的區域進行典型截面的速度場、溫度場和壓力場分析，這里選擇主甲板向上1.3 m水平截面處、潛體向上1.3 m水平截面處、左片體中縱剖面處（即Z1，Z2，Y1截面），如圖3～圖5所示。

圖3 截面速度場圖Fig. 3 The distribution of air velocity field

圖4 截面溫度場圖Fig. 4 The distribution of air temperature field

圖5 Y1=0 m截面壓力場圖Fig. 5 The distribution of air pressure field Y1=0 m

可以看出：

1）主甲板區域。機艙后端風速約為0.2 m/s，此處為人員主通道區域，風速太小不滿足人員舒適度的要求；左舷和右舷的主機之間溫度適宜，但風速為13 m/s，較高的風速及由此產生的噪聲問題不利于人員作業和全船輻射噪聲的控制；兩舷后側為燃油艙、分油機、燃油泵及其油管所在區域，此處風速過小，邊角處有渦流產生，會造成油霧匯集而不能正常排出，增大了火災風險；鍋爐、熱井和焚燒爐作為熱源，附近約48 ℃，溫度較高不利于電子設備的長期使用和人員操作，同時不滿足海船規范對于機艙溫度的要求（45℃）；煙囪處溫度和流速較高，但循環后的熱風流經煙囪直接排向艙外，且人員通常不會到達該處，因此不作嚴格要求。

2）支柱體和濕甲板區域.。氣相組織不均衡，速度梯度較大，但此處僅放置供水設備和冷水機組，且設備所在位置溫度和流場尚可，因此其通風效果可以接受；在作為排風通道的上下梯道口處流場梯度大、風速過大（約15 m/s），氣流將會因此產生較大的動壓和噪聲。

3）潛體區域。泵浦區域溫度達到45 ℃，尾端風速太小，接近于一個大區域的流動死區，從速度場分析來看是因為進風口和出風口（上下梯道）距離太近，出現了明顯的氣流短路。

4）艙內壓力較高，底艙靜壓達到310 Pa，大大高于人體舒適度對于壓力范圍的要求（±100 Pa），且會造成片體脫險通道防火門以及通向室外的風雨密門的人工開閉困難，不利于日常進出，給人員逃生到來極大安全隱患，同時過高的壓力會引起送風機運行偏離其標準流量-壓力工況，從而造成實際進風量大大減少。

總之，本設計階段的機艙通風系統出現了多處流場梯度大，風速、溫度和壓力過高等現象，重點區域出現了流動死區，因此，亟須對該系統進行優化以改善其氣相組織分布，提高船舶的安全性和舒適性。

4 通風系統的優化方案

從減小潛體內壓力、均勻化氣流分布、增加氣流有效行程、減少短路現象的角度出發，在對艙內外設備布置影響較小的前提下提出優化方案，如圖6所示。1）主甲板首部于機艙外兩側各增加1臺抽風機，在左右片體設垂向風道（尺寸1000×300 mm），且在潛體、支柱體、濕甲板布有抽風口；2）各層甲板的尾部增加上下貫通的開口（尺寸850×400 mm），開口處鋪設防止人員跌落的格柵；3）主甲板從主風管引出一通風支路至尾部（尺寸600×400 mm），并配套3個通風口；減小主機處風口的格柵尺寸，或機械限定其開度。修改區域的邊界條件如表2所示，其余保持不變。計算收斂后，觀察相同位置的氣相組織，如圖7～圖9所示。

圖6 優化后機艙物理模型Fig. 6 Cabin physical model after optimization

可以看出：

1）由于過流風量的增加，重點區域環境溫度明顯降低：鍋爐、熱井和焚燒爐附近溫度降低至41 ℃，潛體泵浦區域溫度降低至40 ℃。

2）流場梯度明顯減小，氣流有效行程增加，主甲板后端主通道風速增加到3 m/s，主機之間的風速降低至8 m/s；機艙尾部氣流擾動增加，避免了氣流死區和旋渦現象，保證了油霧的有效排出；上下梯道口風速降低至8 m/s。

3）艙內壓力過高的現象得到明顯改善，潛體降低至100 Pa。這是因為增加了片體抽風管路和甲板開孔，排風得到了有效的分流；同時由于排風背壓的降低，送風機風量將會進一步增加。

表2 邊界條件設置Tab. 2 Sets of boundary conditions

圖7 截面速度場圖Fig. 7 The distribution of air velocity field

圖8 截面溫度場圖Fig. 8 The distribution of air temperature field

圖9 Y1=0 m截面壓力場圖Fig. 9 The distribution of air pressure field Y1=0 m

總之，優化后機艙整體氣流分布更加均勻、合理，速度梯度明顯減小，氣相組織明顯改善。

5 結 語

本文利用CFD軟件對機艙內通風情況進行數值模擬，得到了其氣相組織的詳細分布，并進一步對優化方案進行了模擬、分析，其結果為雙體船通風系統工程設計提供了有力的參考。

隨著計算機軟硬件水平的提高和設備資料的完善，邊界條件、設備外形會更加準確，進而可模擬更為真實的機艙環境；機艙通風的優化方式有多種，如改變風管布置、艙內增加隔板，采用空氣射流技術[10]等，有待進一步研究。