氮?dú)獍l(fā)生器周邊氣幕的研究

陳 勇 劉 振 張曉紅 丁 潔

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011；2.上海外高橋造船有限公司 上海200137；3中國船舶集團(tuán)第七〇四研究所 上海200031）

引 言

氮?dú)馐且环N理想的“惰性”氣體，在空氣中的比例約占 80%，工業(yè)中使用的氮?dú)獯蠖嗍菑目諝庵羞M(jìn)行提取。氮?dú)庠诖吧嫌猛緩V泛，由于氮?dú)舛杌饶芊辣帜芎芎玫乇３重浳锏钠焚|(zhì)，使其不變質(zhì)不污染，所以在化學(xué)品艙、液化石油氣船、液化天燃?xì)獯约斑\(yùn)送甲醇的船舶上通常都使用氮?dú)舛杌到y(tǒng)。根據(jù)船用氮?dú)獍l(fā)生器使用說明，氮?dú)獍l(fā)生器需在空氣流動(dòng)良好的環(huán)境中使用，使用過程中注意氣體泄露造成的危險(xiǎn)，放置氮?dú)獍l(fā)生器的艙室安裝氮?dú)鉂舛葯z測裝置，當(dāng)泄漏氮?dú)鉂舛鹊轿ｋU(xiǎn)值時(shí)，艙室門應(yīng)從外部無法打開。

本文研究的氮?dú)獍l(fā)生器因艙室空間緊張，與其他船舶設(shè)備一起布置在機(jī)艙，設(shè)備復(fù)雜，極易造成空氣污染［1］。為了將氮?dú)獍l(fā)生器與機(jī)艙其他設(shè)備隔離，在氮?dú)獍l(fā)生器頂部安裝氣幕裝置，并配備相應(yīng)的通風(fēng)系統(tǒng)，用來及時(shí)排出因操作不當(dāng)產(chǎn)生的危險(xiǎn)氣體和泄漏的富氧氣體。氣幕裝置在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用較為廣泛，其利用高速流動(dòng)的空氣形成氣幕，阻擋外界空氣進(jìn)入，起到一個(gè)相對(duì)隔絕的作用，在氣幕控塵、潔凈室局部隔離等領(lǐng)域應(yīng)用較多。杜中華等［2］研究氣流在不同射流速度以及縫寬的衰減規(guī)律，確定氣幕設(shè)備的最優(yōu)參數(shù)。魏學(xué)孟和周輝［3］通過對(duì)氣幕風(fēng)口尺寸、主潔凈風(fēng)口和氣幕風(fēng)速等工作參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果，從理論上指出氣幕射流力是影響氣幕隔斷的主要因素之一。

本文通過FloEFD對(duì)氮?dú)獍l(fā)生器周圍氣幕的流場進(jìn)行模擬，并且合理簡化模型，通過設(shè)定氣幕裝置各項(xiàng)參數(shù)以及邊界條件，準(zhǔn)確得到氮?dú)獍l(fā)生器周圍以及內(nèi)部流體的流動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行分析。

1 物理模型建立和邊界條件確定

1.1 物理模型建立

由于機(jī)艙內(nèi)環(huán)境相對(duì)復(fù)雜，氣幕可以有效地將氮?dú)獍l(fā)生器與機(jī)艙環(huán)境分隔。氣幕裝置通過送風(fēng)管路由四周進(jìn)行送風(fēng)，并在對(duì)應(yīng)的出口處不斷產(chǎn)生高速氣流，形成氣幕，將氮?dú)獍l(fā)生器內(nèi)部與機(jī)艙劃分成兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的空間。

本文以氮?dú)獍l(fā)生器和氣幕裝置組成的系統(tǒng)作為研究對(duì)象，選取所在機(jī)艙作為計(jì)算區(qū)域（見圖1），采用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks按照氮?dú)獍l(fā)生器和氣幕的實(shí)際尺寸進(jìn)行幾何建模（見圖2和圖3）。主要研究氮?dú)獍l(fā)生器周圍的氣幕，因此忽略機(jī)艙內(nèi)其他設(shè)備對(duì)整個(gè)模擬結(jié)果的影響。

圖 1 模型計(jì)算域

圖2 氣幕裝置

圖3 氮?dú)獍l(fā)生器

圖 4 自由射流示意圖

圖 5 平行射流示意圖

由于氮?dú)獍l(fā)生器的外形結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，為了減小計(jì)算量，建模過程中簡化了法蘭、閥門等部件，同時(shí)省去了氮?dú)獍l(fā)生器與氣幕裝置外部連接的送/排風(fēng)管路。

1.2 邊界條件設(shè)置

本文主要研究氣幕裝置出風(fēng)對(duì)氮?dú)獍l(fā)生器周圍流場的影響，整個(gè)機(jī)艙的空間遠(yuǎn)大于射流體積，屬于自由紊流射流，氣流組織基本可視為強(qiáng)制對(duì)流型且不考慮有溫差送風(fēng)，一般情況下射流很難保持長距離的層流狀態(tài)，這是因?yàn)樯淞鬟吔缟系募羟袑拥挚雇饨鐢_動(dòng)的能力很弱，流體在這里不能像壁面附近那樣得到壁面的幫助減小擾動(dòng)。理論上射流是無條件不穩(wěn)定的，也就是說即使流動(dòng)雷諾數(shù)很小，射流最終也會(huì)完全發(fā)展為湍流［4］，所以本文的計(jì)算模型采用標(biāo)準(zhǔn)的高雷諾數(shù)k-ε湍流模型。方程如下：

式中：C1ε=1.42，G2ε= 1.68；Gk為平均速度梯度引起的湍流能的產(chǎn)生；Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為可壓縮流體中波動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；αk和αε分別為αε和ε有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)；Sk和Sε分別為用戶定義的源項(xiàng)［5］。

射流軸心速度的計(jì)算公式為：

式中：Vx為射程x（m）處射流軸心速度，m/s；V0為射流出口速度，m/s；d0為當(dāng)量直徑，m；為送風(fēng)口的紊流系數(shù)。

紊流系數(shù) 的大小與射流出口截面積上的除濕紊動(dòng)輕度有關(guān)，紊流系數(shù)直接影響射流發(fā)展的快慢，紊流值越大，橫向脈動(dòng)大，射流擴(kuò)散角就大，速度衰減越快，射程越短。紊流系數(shù) 值一定的情況下，想要增大射程，可以提高出口速度V0。

氣幕裝置出口設(shè)有格柵，形成多個(gè)風(fēng)口自同一平面沿平行軸線向同一方向送出平行射流。氣幕裝置相鄰兩股平行射流距離較近，射流的發(fā)展互相影響，射流邊界相交，互相干擾并且重疊，可將其設(shè)為多股射流形成的一股總射流［6］。

為了簡化計(jì)算，對(duì)氮?dú)獍l(fā)生器周邊的條件進(jìn)行了如下設(shè)置：

● 入口邊界條件：氣幕裝置送風(fēng)1 風(fēng)速 7.1 m/s、送風(fēng)2 風(fēng)速 6.5 m/s；出口邊界條件：排風(fēng)1 體積流量為 400 m3/h；氮?dú)獍l(fā)生器指標(biāo)：氮?dú)饬髁?0～30 L/min，輸出最高壓力為 0.5 MPa；

● 機(jī)艙內(nèi)空氣流流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，機(jī)艙內(nèi)氣流為不可壓縮流體，物性為常數(shù)［7］，考慮重力場的影響；

● 室內(nèi)無熱源，假設(shè)機(jī)艙環(huán)境溫度恒定為 45℃，甲板絕熱，機(jī)艙溫度場視為均勻溫度場；

● 假設(shè)氮?dú)獍l(fā)生器所在機(jī)艙四周均為環(huán)境壓力；

● 假定泄漏僅出現(xiàn)在法蘭連接處（如圖12所示）。

2 網(wǎng)格劃分

本文采用四面體網(wǎng)格（見下頁圖6），并對(duì)氮?dú)獍l(fā)生器四周的流場，為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，細(xì)化了氮?dú)獍l(fā)生器裝置表面、氣幕裝置進(jìn)出風(fēng)口處這些物理量變化較大區(qū)域的網(wǎng)格。

圖6 模型網(wǎng)格圖

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 氮?dú)獍l(fā)生器周邊氣幕模擬結(jié)果及分析

以下為氮?dú)獍l(fā)生器現(xiàn)有工作參數(shù)下的模擬結(jié)果。本文分別在X和Y方向上選取了3個(gè)截面（見圖7）進(jìn)行分析，其中截面1和5為氣幕裝置出風(fēng)口位置；截面2和4經(jīng)過排風(fēng)口；截面3經(jīng)過氮?dú)馀c富氧氣體管路附近；截面6經(jīng)過電控箱。

圖7 選取截面位置示意圖

圖8為X方向選取不同位置的2張流場截圖。從圖中可以看出，氣幕裝置在現(xiàn)有給定速度的情況下，產(chǎn)生的氣幕并沒有很好地將氮?dú)獍l(fā)生器與機(jī)艙環(huán)境隔離，操作箱一側(cè)即右側(cè)氣幕出現(xiàn)了不連續(xù)，沒有到達(dá)甲板形成封閉式的阻隔，造成的原因可能由于氣幕裝置在氮?dú)獍l(fā)生器頂部排風(fēng)，內(nèi)部形成負(fù)壓，電控箱所處的位置正好影響了氣幕的充分發(fā)展。

圖8 X 方向典型流場截面圖（v = 6.5 m/s）

下頁圖9為Y方向選取不同位置的2張流場截圖。從中可以看出，由于氮?dú)獍l(fā)生器頂部設(shè)有排風(fēng)，形成負(fù)壓，導(dǎo)致產(chǎn)生的氣幕部分進(jìn)入氮?dú)獍l(fā)生器內(nèi)部。從出口到機(jī)艙底部這段距離，氣幕速度衰減較快，但氣幕裝置在現(xiàn)有給定速度的情況下，產(chǎn)生的氣幕仍然能夠有效地將氮?dú)獍l(fā)生器與機(jī)艙隔離。

圖 9 Y 方向典型流場截面圖（v = 7.1 m/s）

圖10為氣幕裝置出口處截面圖。從圖中可以看出，離機(jī)艙底部高度越小，在沒有氮?dú)獍l(fā)生器支架阻擋氣幕的情況下，生成相對(duì)均勻的氣幕。

圖10 氣幕裝置出口處截面圖

由于向下的過程中，氣流在機(jī)艙內(nèi)一側(cè)擴(kuò)散，氣幕速度衰減得也很快，因此當(dāng)接近機(jī)艙底部時(shí)，速度最小。

3.2 氮?dú)獍l(fā)生器泄露點(diǎn)模擬結(jié)果及分析

本文中氮?dú)獍l(fā)生器受到船舶空間布局的限制，氮?dú)獍l(fā)生器無法在空氣流動(dòng)良好和通風(fēng)的地方使用。富氧是從氮?dú)夥蛛x膜滲透口通過管路排放至大氣中，在高壓狀態(tài)下長時(shí)間運(yùn)行，可能會(huì)出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，本文對(duì)可能出現(xiàn)的泄漏點(diǎn)進(jìn)行了分析。

圖11為富氧區(qū)域泄漏示意圖，圖中紅色圈處為法蘭連接的富氧氣體排放管路，本文假定法蘭連接處為可能發(fā)生的泄漏點(diǎn)。從下頁圖12可以看出，部分氣幕射流正好經(jīng)過法蘭連接處，將泄漏氣體帶離氮?dú)獍l(fā)生器內(nèi)部，避免了泄漏的富氧氣體在內(nèi)部集中，形成安全隱患。

圖11 富氧氣體泄漏區(qū)域示意圖

圖12 泄漏點(diǎn)射流跡線圖

綜上所述，在現(xiàn)有流速下，氣幕裝置產(chǎn)生的氣幕在接近機(jī)艙底部的位置，存在阻隔效果不佳的地方。由于氣幕裝置內(nèi)部排風(fēng)，形成負(fù)壓，一部分氣流與氮?dú)獍l(fā)生器支架相撞，部分氣流被分割進(jìn)入氮?dú)獍l(fā)生器內(nèi)部，避免了富氧氣體的聚集，消除了安全隱患。然而，氣幕被分割后，加上自身向兩側(cè)不斷擴(kuò)散，速度衰減較快，導(dǎo)致局部區(qū)域劃分效果不佳。

4 參數(shù)優(yōu)化

4.1 調(diào)整氣幕裝置出口速度

為了進(jìn)一步改善氣幕劃分艙室的效果，對(duì)氣幕裝置出口 1 及出口 2 的流速進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整結(jié)果如表1所示。

表1 氣幕裝置出口邊界條件m/s

下頁圖 13 為不同速度邊界條件下不同方向流場截面圖。從圖中可以看出，氣幕送風(fēng) 2（X方向截面）速度進(jìn)行調(diào)整后，射流起始段的速度增加，射流從出口位置至機(jī)艙底，射流沿中心線的速度分布差異較大，對(duì)比表1中的序號(hào) 5 和 6，可以看出繼續(xù)增加送風(fēng)口流速，對(duì)內(nèi)部流場的影響不大，序號(hào) 5 的風(fēng)速已經(jīng)起到較好的阻隔效果。氣幕送風(fēng) 1（Y方向截面）速度進(jìn)行調(diào)整后，對(duì)氮?dú)獍l(fā)生器內(nèi)部流場影響較小，不同速度下射流沿中心線速度分布變化差異較小。

綜上所述，送風(fēng) 1 的速度變化對(duì)產(chǎn)生的氣幕影響較小。調(diào)整送風(fēng) 2 速度可以增加氣幕阻隔效果，但對(duì)氮?dú)獍l(fā)生器內(nèi)部的流場影響較小。

第106頁的圖 14 為氣幕裝置在初始參數(shù)下的跡線圖。通過跡線圖，可以看到在氣幕裝置頂部，出現(xiàn)了空氣渦旋區(qū)域，該區(qū)域的空氣流動(dòng)性較差，形成滯流，造成的原因是氣幕裝置四周是出風(fēng)口，中心為排風(fēng)口，出口處與排風(fēng)口相對(duì)風(fēng)速較高，帶動(dòng)氣幕裝置周邊空氣流動(dòng)，最終在氣幕裝置內(nèi)部形成速度較小的渦旋。

圖 13 不同邊界條件下不同方向流場截面圖

圖14 跡線圖

4.2 調(diào)整氣幕裝置中心區(qū)域高度

為了改善氣幕裝置頂部局部空氣流動(dòng)性較差的情況，對(duì)中心區(qū)域高度進(jìn)行調(diào)整，研究了中心區(qū)域高度變化和對(duì)內(nèi)部流場的影響。

本文對(duì)中心區(qū)域高度調(diào)整如下：增加 1/2 和完全填充中心區(qū)域，以下為對(duì)中心高度調(diào)整后的模擬結(jié)果。

圖15為調(diào)整氣幕裝置中心高度跡線圖。與圖14對(duì)比發(fā)現(xiàn)：當(dāng)氣幕裝置中心被完全填充時(shí)，滯流區(qū)域隨之消失，同時(shí)射流沿中心線衰減程度減小，說明原氣幕裝置內(nèi)的滯流渦旋消耗了射流部分能量。

圖15 調(diào)整氣幕裝置中心高度跡線圖

5 結(jié) 論

本文通過數(shù)值模擬的方法分析了現(xiàn)有參數(shù)下氮?dú)獍l(fā)生器周邊氣幕的效果，并通過調(diào)整氣幕裝置部分參數(shù)，改善氣幕的效果，可以得到以下結(jié)論：

（1）研究發(fā)現(xiàn)氣幕裝置在現(xiàn)有流速下，產(chǎn)生的氣幕在接近機(jī)艙底部的位置，存在阻隔效果不佳的地方，同時(shí)在氣幕裝置內(nèi)部存在氣體滯留區(qū)域。

（2）送風(fēng) 1 的速度變化對(duì)產(chǎn)生的氣幕效果影響較小，調(diào)整送風(fēng) 2 速度至 8 m/s可以增加氣幕阻隔效果，但對(duì)氮?dú)獍l(fā)生器內(nèi)部的流場影響較小。

（3）調(diào)整氣幕裝置內(nèi)部中心區(qū)域中心高度，可以有效地減小渦旋對(duì)氣幕的影響，當(dāng)中心區(qū)域完全被填充時(shí)，產(chǎn)生的氣幕效果最好。

上述結(jié)論可為后續(xù)船舶氮?dú)獍l(fā)生器氣幕裝置設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。氣幕裝置尺寸適當(dāng)增大，可避免氮?dú)獍l(fā)生器框架阻擋對(duì)氣幕形成的影響；同時(shí)增加氣幕裝置出口的速度，可以增加氣幕的阻斷效果；氣幕裝置中心增設(shè)擋板與出風(fēng)口平齊，可避免形成滯流區(qū)域并防止危險(xiǎn)氣體在局部區(qū)域聚集。