引入射流通風(fēng)系統(tǒng)的船舶機(jī)艙CFD 數(shù)值模擬

谷家揚(yáng)，謝達(dá)陽，王麗元，范駿威

(1.江蘇科技大學(xué) 海洋裝備研究院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.中國船舶及海洋工程研究院 上海 200011)

0 引言

船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)主要目的是建立一個(gè)合適的機(jī)艙環(huán)境，能提供充足的空氣使設(shè)備正常工作，并將機(jī)艙設(shè)備散發(fā)的熱量及時(shí)排出機(jī)艙[1]。

在早期，設(shè)計(jì)人員無法準(zhǔn)確得知機(jī)艙內(nèi)的具體情況，而計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD ）方法能通過建立模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。最終通過圖片將機(jī)艙內(nèi)速度溫度分布等情況準(zhǔn)確表達(dá)[2]，找到通風(fēng)系統(tǒng)當(dāng)前階段的不合理處，這些可為后續(xù)的通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化修正提供方向和對應(yīng)方法。

周山、段樹林采用 Fluent 軟件研究了某滾裝客船，搭建了三維計(jì)算模型，進(jìn)而優(yōu)化了通風(fēng)口的位置和角度。梁彥超、徐筱欣采用 CFD 技術(shù)對某集裝箱船的風(fēng)口進(jìn)行了流場模擬和優(yōu)化，提出風(fēng)口的優(yōu)化方案。蔣仕偉、馬捷采用 Fluent 軟件對對機(jī)艙內(nèi)閉式通風(fēng)系統(tǒng)的氣體組織，溫度分布進(jìn)行了數(shù)值仿真分析，得出機(jī)艙的通風(fēng)效果和艙內(nèi)風(fēng)口布置及氣流組織有關(guān)。趙宇晶悅[3]分析了船舶柴油機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與方法，對進(jìn)排氣系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

上述幾個(gè)案例都是通過 CFD 的方法，對機(jī)艙進(jìn)行研究。對比數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)船測量值，相比于實(shí)船測量值雖有誤差，但在工程允許范圍之內(nèi)，所以可使用建模、數(shù)值模擬的 CFD 方法來進(jìn)行機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的研究優(yōu)化。本文在常規(guī)通風(fēng)的基礎(chǔ)上，加入射流噴嘴送風(fēng)，采用 CFD 仿真方法，分析機(jī)艙在僅有常規(guī)通風(fēng)時(shí)的速度場溫度場分布，與加入射流噴嘴送風(fēng)后的機(jī)艙情況進(jìn)行對比。觀察能否解決局部高溫等機(jī)艙內(nèi)的氣流問題，最終使機(jī)艙達(dá)到設(shè)計(jì)要求標(biāo)準(zhǔn)。

1 數(shù)學(xué)模型

1.1 機(jī)艙幾何計(jì)算模型

研究對象為某船舶機(jī)艙，計(jì)算區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)機(jī)艙區(qū)域。機(jī)艙分為上下2 層區(qū)域，其整體外形尺寸約為17.5 m×16.8 m×6.5 m，下層高2.6 m，上層高度為3.8 m，中間通過甲板隔開。空氣通過矩形風(fēng)管進(jìn)入艙內(nèi)，最后經(jīng)過尾部的排氣風(fēng)機(jī)排到外界。由于機(jī)艙在推進(jìn)電機(jī)上方有大開口，所以上下層的空氣可自由混合。機(jī)艙的主要熱源為推進(jìn)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、齒輪箱及推進(jìn)電機(jī)的排氣管道。

圖1 機(jī)艙幾何計(jì)算模型Fig.1 Geometric calculation model of engine room

1.2 邊界條件

主要研究船舶機(jī)艙的溫度場與速度場，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，以外界環(huán)境溫度35℃為基本條件。

對于熱源散熱量，推進(jìn)電機(jī)給定133 kW，柴油發(fā)電機(jī)組給定98 kW，齒輪箱給定5 kW，排氣管道簡化為恒溫60℃，機(jī)艙壁面設(shè)置為絕熱的固體壁面。機(jī)艙尾部設(shè)置2 個(gè)排風(fēng)機(jī)，流量為115200 m3/h，靜壓為1070 Pa。

邊界條件如表1 所示。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

1.3 計(jì)算網(wǎng)格劃分

在CFD 分析過程中，網(wǎng)格的質(zhì)量至關(guān)重要，對于船舶機(jī)艙這種復(fù)雜的集合模型更是如此。機(jī)艙網(wǎng)格的生成非常耗時(shí)且容易出錯(cuò)，網(wǎng)格太大難以得到準(zhǔn)確結(jié)果，無法計(jì)算下去。而網(wǎng)格太小則非常考驗(yàn)計(jì)算機(jī)的性能，并且耗時(shí)巨大，所以須根據(jù)模型要求及計(jì)算機(jī)的條件，確定如何合理劃分出適合模型的網(wǎng)格。

本文采用切割體網(wǎng)格，計(jì)算速度快且最終收斂性好，能極大減少網(wǎng)格劃分消耗的時(shí)間。考慮到機(jī)艙尺寸和射流噴嘴尺寸的相差很大，約為400 倍量級，網(wǎng)格太粗的話射流管道及噴嘴模擬不到，所以采用了局部網(wǎng)格加密技術(shù)。在熱源、射流管道及噴嘴附近的網(wǎng)格加密，而機(jī)艙其他位置的網(wǎng)格相對較大，這樣能在不降低機(jī)艙整體網(wǎng)格質(zhì)量的前提下，最大化縮短計(jì)算時(shí)間成本。

機(jī)艙計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 機(jī)艙計(jì)算網(wǎng)格劃分Fig.2 Partition of engine room computing grid

1.4 評價(jià)指標(biāo)

評價(jià)數(shù)值模擬出的機(jī)艙環(huán)境是否滿足要求，最主要的一點(diǎn)是設(shè)計(jì)出來的通風(fēng)系統(tǒng)能否滿足機(jī)艙內(nèi)設(shè)備散熱的要求，即要保證機(jī)艙在正常航行時(shí)，整體的平均溫度不能超過45℃[5]，同時(shí)不能出現(xiàn)通風(fēng)死角、局部高溫等情況。

三是大力發(fā)展民生水利，著力提高水利公共服務(wù)能力。完成17處大型灌區(qū)和9處中型灌區(qū)年度節(jié)水改造任務(wù)，實(shí)施好6個(gè)規(guī)模化節(jié)水灌溉增效示范項(xiàng)目建設(shè)，建設(shè)節(jié)水灌溉面積510萬畝（34萬hm2）、“旱能澆、澇能排”高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田385萬畝（25.67萬hm2）。解決360萬人飲水安全問題，推進(jìn)沿黃地區(qū)飲水安全平原水庫建設(shè)，建立縣級水質(zhì)檢測中心和供水服務(wù)“116”熱線。

在如圖3 深色所示的位置處建立監(jiān)控區(qū)域，監(jiān)控整個(gè)機(jī)艙及熱源附近這些區(qū)域的溫度，且以云圖的形式給出幾個(gè)關(guān)鍵截面的溫度場速度場分布。

圖3 熱源溫度監(jiān)控區(qū)域Fig.3 Partition of engine room computing grid Fig.3 Heat source temperature monitoring area

2 計(jì)算結(jié)果分析及優(yōu)化

2.1 機(jī)艙仿真計(jì)算結(jié)果

選取幾個(gè)典型截面顯示仿真計(jì)算后的速度場溫度場變化，機(jī)艙內(nèi)平行船中的截面取y為0 m 和1.5 m處，即經(jīng)過推進(jìn)電機(jī)、柴油發(fā)電機(jī)組、齒輪箱的縱剖面，以及經(jīng)過排風(fēng)機(jī)的縱剖面，截面上的速度場溫度場分布如圖4 所示。

圖4 y 截面速度溫度分布Fig.4 Velocity and temperature distribution in y section

垂直船中能夠的截面取z為4 m 和7.4 m 處，即花鋼板上1.6 m 附近的下層甲板人員活動區(qū)域，以及上層區(qū)域經(jīng)過排風(fēng)機(jī)的橫剖面，截面上的速度場溫度場分布如圖5 所示。

圖5 z 截面速度溫度分布Fig.5 Velocity and temperature distribution in z section

對機(jī)艙上下層及主要熱源區(qū)域進(jìn)行了溫度監(jiān)控，仿真結(jié)果如表2 所示。

表2 仿真結(jié)果Tab.2 Simulation result

由仿真結(jié)果及速度溫度分布圖可看出存在以下問題：

1）在柴油發(fā)電機(jī)組的上方，因?yàn)闆]有設(shè)置合適的排風(fēng)口，導(dǎo)致此處形成通風(fēng)死角，散發(fā)的熱量無法及時(shí)排出，形成明顯的局部高溫，所以此處氣溫偏高。

2）空氣由送風(fēng)機(jī)吸入后通過矩形風(fēng)管進(jìn)入艙內(nèi)，但機(jī)艙首部布置的出風(fēng)口太少，導(dǎo)致首部兩側(cè)的氣體流動性很差，因而此處氣體溫度很高，形成局部高溫。

3）機(jī)艙整體的平均溫度為43.54℃，但是上層區(qū)域溫度達(dá)到47.52℃，溫度太高，不滿足評價(jià)指標(biāo)。其中有部分原因是排風(fēng)機(jī)無法及時(shí)將熱空氣排出，所以應(yīng)該增加上層區(qū)域風(fēng)機(jī)的排風(fēng)量，從而使機(jī)艙溫度可下降至標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍。

2.2 射流通風(fēng)技術(shù)

該船舶機(jī)艙通過矩形管道和排風(fēng)機(jī)進(jìn)行送排風(fēng)，機(jī)艙內(nèi)的溫度均勻性很差。所以為了改善通風(fēng)效果，減少機(jī)艙內(nèi)出現(xiàn)局部高溫[6]，在常規(guī)通風(fēng)的基礎(chǔ)上，加入了射流通風(fēng)裝置[7]。

空氣射流通風(fēng)技術(shù)是一種全新高效的通風(fēng)技術(shù)[8]。在機(jī)艙的通風(fēng)區(qū)域按照一定的排列規(guī)律設(shè)置射流噴嘴，利用噴嘴噴出的氣流，帶動周圍已經(jīng)靜止的空氣，使機(jī)艙空氣不再局限于固定區(qū)域而形成通風(fēng)死角，可隨著射流方向開始進(jìn)行流動，最終達(dá)到通風(fēng)散熱以及均勻流場的目的[9]。

針對仿真后的一些問題，對機(jī)艙進(jìn)行如下改進(jìn)：1）在柴油發(fā)電機(jī)組上方設(shè)置射流管道，使其吹向排風(fēng)口；2）在機(jī)艙首部及中部兩側(cè)設(shè)置吹向船中的射流管道，避免局部高溫；3）加大排氣風(fēng)機(jī)風(fēng)量至130000 m3/h。

改進(jìn)后的三維模型如圖6 所示。

圖6 改進(jìn)后的機(jī)艙幾何計(jì)算模型Fig.6 Improved engine room geometry calculation model

改進(jìn)后的溫度場分布如圖7 所示，機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)主要增加了柴油發(fā)電機(jī)組及機(jī)艙首部的射流管道。該系統(tǒng)能誘導(dǎo)空氣經(jīng)過柴油發(fā)電機(jī)組表面并排出，且由于加大了排風(fēng)機(jī)風(fēng)量，熱空氣能及時(shí)排出。

圖7 改進(jìn)后截面溫度分布Fig.7 Improved temperature distribution of section

與改進(jìn)前的溫度場對比后可看出，機(jī)艙的整體溫度有明顯下降，并且許多高溫區(qū)域消失。這是因?yàn)樯淞鲊娮焱苿託饬鲙е鵁崃考皶r(shí)通過排風(fēng)機(jī)排出，從而有效降低機(jī)艙各區(qū)域的溫度。

機(jī)艙在加入射流噴嘴送風(fēng)之后，與之前的平均溫度對比如表3 所示。由于射流的溫度與機(jī)艙內(nèi)溫度并不相同，所以相互混合后，有助于帶動艙內(nèi)空氣流動、減少通風(fēng)死角[10]，這在柴油發(fā)電機(jī)組及推進(jìn)電機(jī)區(qū)域比較明顯。柴油發(fā)電機(jī)組附近平均溫度降低約5.2℃，推進(jìn)電機(jī)附近降低約4.5℃，機(jī)艙平均溫度總的降低3.3℃左右，所以可得出射流噴嘴送風(fēng)有效改善了機(jī)艙整體的通風(fēng)效果。

表3 有無射流區(qū)域平均溫度Tab.3 Average temperature of region with or without efflux

3 結(jié)語

本文用 CFD 的方法對某機(jī)艙的速度場溫度場進(jìn)行了數(shù)值仿真研究。模擬出機(jī)艙環(huán)境，得到機(jī)艙具體的溫度場和速度場云圖，并加入射流噴嘴送風(fēng)，得到如下結(jié)論：

1）通過 CFD 軟件 STAR-CCM+建立機(jī)艙整體模型并數(shù)值仿真，然后加入射流噴嘴送風(fēng)對機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在模型準(zhǔn)確度足夠的情況下，可得到比較可靠的結(jié)果。

2）機(jī)艙在加入射流噴嘴送風(fēng)之后，能改善局部的通風(fēng)死角，降低機(jī)艙整體的平均溫度。柴油發(fā)電機(jī)組附近平均溫度能降低5℃左右，并減少許多機(jī)艙局部高溫情況；

3）與傳統(tǒng)矩形風(fēng)管和排風(fēng)機(jī)進(jìn)行送排風(fēng)的方式相比較，加入射流技術(shù)的通風(fēng)方式能形成較好的氣流推動作用，具有良好的實(shí)船應(yīng)用前景。