船舶靜音發電機室通風系統數值模擬和實船改進

郭 昂，張京坤，侯小軍，倪其軍

(中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082)

0 引 言

隨著船員居住及作業舒適性要求，以及各種科考、調查和探測試驗對于船體背景噪聲環境的要求越來越高，科考船對于振動噪音指標的要求日益嚴苛。其中，應急發電機室或靜音發電機室通常布置于上層建筑，從成本、重量方面考慮，應急發電機常兼作靜音發電機（或停泊發電機）使用，只要燃油箱增置低位報警裝置，并增設配電控制系統即可；科考船在進行靜音工況科考試驗時，除必要的伙食冷藏機組和配套水泵，其余主機和輔機組全部關閉，靜音發電機組向全船供電，因此對于靜音發電機室的振動噪聲指標要求很高[1]。

1 實船配置

以某科考船為例，采用的靜音發電機組主要參數為：柴油機型號C18，額定功率/轉速301 kW /1 500 r/min；發電機型號SRMP，額定功率280 kW，額定電壓400 V，額定頻率50 Hz，電啟動。

為滿足振動指標要求，靜音發電機組采用浮筏隔振。發電機組兼作應急發電機使用，因此只能采用風冷，而不能采用海水冷卻。為滿足安裝高度的限制要求，柴油機采用獨立的電動機帶動風扇水箱冷卻，并做單層隔振處理。為滿足甲板面和住艙對于噪聲指標的要求（75 dB），風扇水箱出風道以及艙室自然進風道做消音處理。

另外，規范要求應急發電機組的配套系統，如配電系統、燃油系統、啟動系統等要集中布置在同一艙室，且根據本船北美地區科考和訪問的功能需要，本船配有選擇性催化還原（SCR）系統，因此艙內設備繁多，布置極為緊湊。

本船在靜音科考試驗過程中，靜音發電機室室外的振動和噪聲測定值滿足指標要求，但艙內發現以下問題：因艙壓過低艙室門難以打開，存在安全隱患；柴油機機旁溫度過高，影響人員操作和機器使用壽命；機艙內部風流場極不均勻，尾部流速過大，首部流速過小，整體梯度過大。這些狀況不利于船員工作的安全性和舒適性，影響到發電機組的長期穩定運行，因此有必要及時對靜音發電機室的通風系統進行改造，鑒于艙室內部氣流組織和發熱設備的復雜性，考慮利用CFD技術進行數值模擬以找到解決方案[2-4]。

2 物理模型

實船靜音發電機室長6.3 m、寬6 m，高2.8 m，艙內主要設備有發電機組、浮筏隔振、風扇水箱組件、配電板、日用油箱、SCR的混合器和反應器、進風消音風道、排風消音風道、變壓器、排煙管、SCR的油罐模塊、控制箱和啟動蓄電池。機電設備較多，管線復雜，用CATIA建立其艙室及艙內設備的三維模型，考慮計算效率和網格精度，必須對艙室簡化處理，使模型適合數值模擬計算[5-6]。忽略對艙室流場和熱環境影響較小的控制箱、管系、電纜；電動機風扇水箱組件和排風消音風道緊貼安裝，合并為一個整體建模；對邊界做無厚度壁面處理。簡化后艙室及內部設備外形尺寸與實際尺寸一致，其幾何模型如圖1所示。

3 數學模型及邊界條件

3.1 數學模型的建立

本文采用Fluent軟件內的湍流模型k-ξ對靜音發電機室的流場組織分布進行數值模擬，為適應軟件的邊界設定，提高仿真效率，對艙室工作環境做理想化處理[7]。

1）柴油發電機組外形極為復雜，擬采用單位面積平均熱通量的形式對其進行熱源模擬，并簡化為主尺度一致的規則模型；

以日喂2次為基礎，每餐投喂量控制為2餐自由采食量90%左右，1 h內完全吃完，再適當補加飼料，日采食量較日喂2次可增加0.122 kg/只，提高14.3%。

2）除了艙室消音進排風和主機進氣，艙室沒有漏氣現象，艙室風雨密門常關，艙內封閉良好；

3）艙內溫度和氣壓變化不會太大，氣體理想為為不可壓縮流體，氣流組織為穩態流動；

4）根據防火隔熱的要求，艙室6個壁面均敷設約50 mm厚的隔熱棉，作為絕熱面處理，但頂面為直射面，甲板溫度可達60 ℃，因此計入溫差傳熱。

圖1 靜音發電機室幾何模型Fig. 1 Geometrical model of ship engine room

3.2 邊界條件的設定

采用Fluent進行整體的數值求解計算時，應用重疊網格技術進行整體網格劃分[8-9]。重疊網格技術能夠將復雜的流場區域劃分為邊界較為簡單的子區域，各子區域彼此存在著嵌套或重疊關系，流場信息通過相互插值在重疊區邊界進行耦合。重疊網格具有邏輯關系簡單、流場計算精度及效率較高、壁面粘性模擬能力強等特點，相比結構網格對復雜外形的結構體適應性更強。經劃分，最后得到的網格數量150 W，網格質量良好，最小體積大于0，扭曲率0.5～1占0.2%。

工況條件為夏季，靜音發電機組全負荷運行，根據實際工況和設備參數進行邊界設置，如表1所示。

4 模型驗證和結果分析

經過1 100次迭代計算，結果收斂后，將航行試驗時艙內典型位置處的溫度和風速實測值與模擬值相比較，結果如表2所示，測點位置如圖2所示。

選取船員主通道和主要操作區域的典型截面進行結果分析。本模型選取X=0.8 m水平截面，Y=0中縱豎直截面進行速度場、溫度場和靜壓場觀察，云場分布如圖3～圖5所示。

由上數值模擬的結果可以看出：

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

表2 模擬值和測量值比較Tab. 2 Comparison between temperature calculated and measured

圖2 測量點的位置Fig. 2 Locations of measured points

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 截面壓力場圖Fig. 5 The distribution of air pressure field

1）消音通道出風口的流速太高，達到20 m/s，但這是設備廠的要求風速，現階段無法調整；在排氣口和進氣口之間的走道風速為16 m/.s，過高的風速定會帶來較大的噪聲問題，并極大地影響人員在該位置的舒適度；消音通道進風口流速為22 m/s，太高的流速會引起消音通道局部阻力過高，影響進風量，并增加艙內局部氣噪，同時影響消音棉的壽命并對艙室的壓力平衡帶來不利影響。出現這種狀況的主要原因是：進風通道按照常規通風系統來處理，選擇的截面積與排風通道截面積相當，同時忽略了消音通道對艙室的阻力影響，忽視了柴油機采用風扇冷卻的特殊性。

另外，左上方為日用油柜所在的位置，其周圍空氣流速達15 m/s，能夠有效地將聚集油氣排出，且沒有過長的氣流行程，油箱位置合理，這得益于過大的排氣風速帶來的近側的負壓和氣流擾動效應。

2）發電機組附近明顯溫度過高，大部分區域超過70 ℃，柴油機散熱不暢會導致機體熱應力增大，滑油粘度過低，潤滑不良，增壓器進氣量減小，影響功率的輸出、電子元器件的使用壽命，同時給人員帶來燙傷的危險；煙管處溫度也較高，達到55 ℃。

3）艙內整體負壓較高，-350 Pa～-500 Pa，較大的負壓作用會導致：門因艙內外壓差難以打開；艙內人員憋悶、呼吸不錯，舒適度很差。引起負壓的主要原因是該靜音發電機組的風扇水箱提供冷源冷卻機體內部的高溫水系統、中冷器、滑油等，因此風扇的風量和功率比較大，且設置為向艙外鼓風，從而造成艙內負壓明顯；進氣口在艙內負壓的作用下自然進風，但由于進風道消音降噪處理的需要，通道消音棉會產生較大的局部阻力，從而進一步加大艙內的負壓。

總之，數值模擬值和實船測量結果一致，局部溫度、風速和艙內壓力均不滿足設備長期運行和人員安全及舒適度要求，因此需要對艙室通風系統及時采取有效的改進措施，以提高船舶安全性和舒適性。

5 通風系統的優化方案

發電機組冷卻和艙內負壓問題是該艙通風系統設計成敗的關鍵。實船設備、管線已經安裝到位，只能基于現有狀態進行改造優化。

若排氣消音通道、發電機組、進氣消音通道一字排開艙內長度空間不足，艙外布置環境不允許；若加大進氣通道，則原消音器廢棄，成本較高，且不能完全解決艙內負壓的問題。因此考慮在頂部增設一路進風道，該風道由風管、消音器、風機和布風器組成，如圖6所示。

原有的邊界條件不變，進行重疊網格劃分和求解設置，不斷調整風機風量，即布風器出口風速，記錄圖2中點2處艙壓和主機附近溫度隨風速變化，如圖7所示。

可以看出，在風速為7 m/s時，艙壓為-110 Pa，機旁溫度為43.2 ℃，且風速適中，從而得到增加的風機型號CZ-50C（功率4 kW，風量13 000 m3/h），典型截面流暢分布如圖8～圖10所示。

圖6 新增管系布置圖Fig. 6 The distribution of new duct

圖9 優化后截面溫度場圖（Y=0）Fig. 9 The distribution of air temperature field after optimization（Y=0）

可以看出：

1)消音通道進風口流速降為16 m/s，排氣口和進氣口之間的走道風速降為12 m/s，因此能夠有效降低空氣噪聲和消音風道局部阻力，并改善該位置的人員舒適度。

2）發電機組附近溫度降低至正常范圍，約43 ℃，艙室前部位置平均風速提高至5 m/s，能夠有效保證柴油機功率輸出和使用壽命，以及人員的安全操作。

3）艙內負壓提高至-50 Pa～-130 Pa，屬于艙內正常的負壓范圍。

實船在歷經1個月的設備采購、安裝、調試后，重新進行發電機組滿負荷系泊試驗。結果表明，艙內氣流組織明顯改善，艙內溫度、壓力和風速分布達到理想水平。這主要是因為強制進風量的增加會使得平均風速降低、艙內壓力改善，更多的空氣流經柴油機會增加其進氣量、降低機體表面溫度，并帶來艙室整體的氣流擾動。

該方案成本較低、施工方便、安全美觀，且能夠滿足規范要求。

圖10 優化后截面靜壓場圖（X=0.8 m）Fig. 10 The distribution of static pressure field after optimization（X=0.8 m）

6 結 語

針對實船建造或應用中出現的問題，本文利用CFD技術對艙室內通風系統進行數值模擬，得到艙內氣相組織的詳細分布。通過數值模擬、分析，提出切實可行的改造方案，并在實船上加以驗證，有效解決實際問題。通過模擬分析可知：

1）對模型的有效簡化，對網格的合理劃分，以及邊界條件的合理設置是進行數值模擬的重要前提。

2）對于具有噪聲指標要求或消聲處理要求的艙室，采用CFD進行其通風系統的設計或優化是一種有效手段。