基于CFD方法的機艙風管風量分配設計研究

巴海濤，金 玲

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

目前機艙風管的設計缺乏必要的仿真工具，設計人員在詳細設計和生產設計中均憑借經驗和預估的風阻計算值進行機艙風管的設計和放樣，缺乏精確的設計依據。在實際造船項目中，面對一些機艙緊湊、風管布置復雜或部分艙室通風要求比較高的工況時，僅憑經驗設計的風管時常會出現部分出風口風量不足甚至風速過低的問題，導致在船舶碼頭調試期間出現增加風機、調整風管等返工情況。

目前，大量研究集中在整個機艙環境的溫度場模擬上[1]，而這些研究方法過于理論和學術化，對于實船的機艙風管的通風模擬較少提及，因而實際工程應用指導意義不大。另外，一些文獻雖研究機艙的風管[2]，但未提及確切的應用方法，特別是對通風附件的模型處理、實船的風速測量和數據處理。

本文利用CFD軟件對某81 200 t散貨船機艙風管進行三維建模和仿真模擬計算，特別是對出風口鋼絲網作為多孔介質的模型處理以及對實船風速測量和數據處理提出了建設性處理方法。

1 模型及邊界條件的設定

1.1 機艙風管模型及設定條件

某81 200 t散貨船機艙左前風機位于煙囪內B甲板，設計流量為43 200 m3/h，通過結構風道和矩形風管將風送至集控室、機修間、機艙下平臺和機艙底層的左前區域。根據實際的放樣模型，進行逆向三維建模(見圖1)；然后根據各個位置的通風需要，初定各風口設計規格、設計流量和設計風速，見表1。各個出口的風柵流通面積比取0.96，主結構風管采用5 mm厚度鋼板，主干管鋼板厚度為4 mm，支風管鋼板厚度為3 mm。

1～17—出風口序號。

1.2 網格劃分及邊界條件設定

將機艙風管模型導入CFD軟件，在進行模型前處理后，進行風管邊界劃分和網格基礎設定。網格模型采用表面重構/多面體網格/棱柱層網格。對于各出風口進行網格加密，實際生成的是六面體網格，見圖2。

在邊界條件設定上，設定入口為恒定速度進口，出風口均為壓力出口，出風口壓力采用大氣壓力。

物理模型的設定上，首先應計算風管內空氣流體的雷諾數Re。

矩形風管的水力直徑按下式計算：

(1)

式中：Dh為矩形風管的水力直徑，mm；A為風管截面積，mm2；P為橫截面周長，mm。

(2)

式中：v為矩形風管內管道流速，m/s；υ為空氣的動力黏度，υ=14.8×10-6m2/s。

選取有代表性的主結構風管和支路風管計算雷諾數，見表2。對于工業管道，一般Re>2 000即可認為是紊流，所以物理模型選擇K-E紊流模型[3]。

表1 各風口規格及設計值

圖2 網格模型

表2 主結構風管和支路風管雷諾數計算表

1.3 風管出口鋼絲網模型處理

在風管的每個出風口處均配備防異物鋼絲網。為了提高計算精確性，實際計算中需要將各個風管出口的鋼絲網定義成多孔介質，并在軟件中定義該多孔介質的慣性阻力系數和粘性阻力系數。理論上，阻力系數的求解可采用現場試驗方法或實際模型計算方法，但因為現場試驗條件限制且通過設計手冊查得的局部阻力系數不夠精確，特采用實際模型計算方法來求解鋼絲網的阻力系數。

對實際使用的6 700 μm鋼絲網進行1∶1建模，將鋼絲網放置在一直徑為60 mm、高為150 mm的空心圓柱體內，見圖3。將圓柱體的側壁面定義為滑移壁面(此時系統默認滑移壁面的阻力為0),該圓柱體進出口壓力降即為鋼絲網的壓降值。

圖3 帶鋼絲網的空心圓柱體

分別測定入口風速為2、4、6、8、10 m/s下鋼絲網的壓力降，通過已知的計算公式進行擬合，可以得出鋼絲網的慣性阻力系數Pi=206.04，粘性阻力系數Pv=207.51。

2 機艙風管風量分配分析

2.1 機艙風管初始風量分配分析

按圖1模型進行風量計算，進風口定義為恒定速度進口，出風口鋼絲網指定為多孔區域，取常規鍍鋅板的粗糙高度為0.2 mm[4]。根據計算可以得出各風口的出口平均速度。最終各風口的風量計算結果見表3。

表3 風管初始風量計算表

從表3看出，在出風口格柵或者調風門全開的情況下，風口風量偏差較大，17個風口中風量偏差在20%以上的達到了9個；風口4、5、8、9、10風量過多，導致機艙下平臺和機艙底層的風口風量大部分都少于理論流量。從出風口的速度標量圖來看，單個風口的出口風速并非平均分布，呈現出較大的不規則性。

因風口1、4、5、8、9、10距離主結構風道較近，空氣動壓較大而實際阻力較小，造成這些出風口的實際風量遠超設計風量。而風口2和風口3所在的支路風管是從次風管底部引出的，需要依靠空氣靜壓送風導致在臨近風口風量均偏大，因此風量偏少。

在不改變風管基本布局的情況下，可在風量偏小的風口處增加擋板，在風量偏大的風口處減少格柵開度或適當增加調風門角度，見表4。

表4 風管風量分配改進措施表

2.2 風管改進后風量分配

調整后的風量分配結果見表5。協調后的出風口風量基本均勻，每個出風口的實際風量和設計風量偏差控制在10%左右。如果風口調整后各風口風量仍然出現大的偏差，那么就需要對風管進行調整，方法包括增加需要增大的出風口側向設置內部導流板；對有末端的直段風管的數個出風口采用逐級變徑，避免風管截面的突然擴大或縮小；在側向分支和直角折彎處，要盡量采用導流板及圓滑過渡。

3 風管風速實測驗證

3.1 測量準備與測量過程

為保證測試軟件計算的準確性，在某建造完成的81 200 t散貨船上進行實測。放樣人員為了保證出風口出風，在每個風管的中間段出風口處增加了導流擋板(尺寸為250 mm×150 mm×45°)，增加在出風口2、4、6、7、9、10處。本文在模型中也增加了相關擋板并進行了計算。鑒于出風口速度并不均勻，為更準確地測得出風口的平均風速，風量的實際測量采用5點測量取平均值方法(5個測量點分別位于矩形出風口的四角位置和中心位置)。實際測得數據和計算數據的對比見表6。

表5 風管改進后風量計算表

3.2 測量數據分析

由表6可以看出：實測平均風速均大于計算平均風速，平均偏差為28%左右。原因有以下幾點：

(1)風柵包邊影響實際通流面積。風管出風口的鋼絲網或風柵均有寬度約20 mm的包邊，部分可閉風柵的端部開度不能達到100%。以常見的350 mm×300 mm鋼絲網為例，減去兩側包邊后實際通流面積為310 mm×260 mm，實際通流面積僅為原面積的77%左右。

(2)現場制作誤差。部分出風口導流擋板未按照實際角度45°進行制作，部分風管因船東要求取消，造成實際風管和模型有差異，這一部分影響無法預估且不容易消除。

(3)實測風速測量誤差。采用5點測量平均值法將無法準確得到該風口的平均速度，故實際測得風速和計算風速之間存在一定誤差。在實際測量中，如需得到更精確的風速，需要設計特定工裝，將出風口完全罩住后，測量出口風速。

3.3 風速修正

綜合以上因素，因實際通風面積減小，按照實際通流面積減小25%對計算風速進行修正(計算風速的1.3倍)，修正后的計算平均風速見表7。由表7可以看出：大部分風口修正速度和實測速度偏差控制在10%之內。考慮到部分風口的制作和模型不一致且計算值基本隨實測值同向波動，本文認為模型選擇和計算值都是可靠的，可以用來計算并指導風管設計。

4 結語

采用CFD仿真手段對機艙風管內的空氣流動情況進行仿真，可以極大地改善以往靠定性方法進行機艙風管設計帶來的風量分配不均的不確定性，為機艙風管設計和風機選型提供指導，從設計源頭規避船舶建造完成后機艙風管可能出現的各種問題。一方面，可以在滿足設計要求的前提下實現風管的改進優化，大大減少了現場調整工作量，提高了報驗效率，減少了返工及進度延誤風險；另一方面，通過阻力校核，避免了過多的風機設計冗余，減少了訂貨成本。

CFD通風計算分析在上建空調風管、部分狹小艙室通風等方面具有決定性的優勢，使得船廠設計走向建模2.0時代，改變以往粗放的設計模式，向精細化設計邁進，真正實現設計指導生產，設計為生產保駕護航。

表7 出風口實際風速測量和計算值對比