船舶機(jī)艙通風(fēng)溫度場(chǎng)的CFD量化分析與應(yīng)用

摘" " 要：CFD技術(shù)應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)是當(dāng)前船舶業(yè)界的趨勢(shì)。本文基于某集裝箱船設(shè)計(jì)要求，運(yùn)用CFD技術(shù)對(duì)機(jī)艙空間溫度場(chǎng)進(jìn)行量化分析，通過(guò)對(duì)比分析進(jìn)出港口工況和海上航行工況的溫度場(chǎng)、流線場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)機(jī)艙不同高度和位置的溫度差異及形成的原因，提出了風(fēng)口改型、加裝通風(fēng)管、橫梁加開(kāi)孔等優(yōu)化方向，為現(xiàn)代船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證提供了有效的技術(shù)手段。

關(guān)鍵詞：CFD；溫度場(chǎng)；量化分析

中圖分類號(hào)：U664.86 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

CFD Quantitative Analysis and Application of Temperature Field in Ship Engine Room Ventilation Duct

TIAN Zhongwen，" LIU Liang，" ZHU Zhixing，" ZHOU Bing

（ Guangzhou Wenchong Shipyard Co.， Ltd.，" Guangzhou 510727， China ）

Abstract： The application of CFD technology in ship design is the current trend in the ship industry. According to the design technical requirements of a certain container ship， this article conducts quantitative analysis and optimization by CFD technology for engine room space temperature. Through comparative analysis of temperature field and streamline field when the ship is leaving or entering a port and sailing at sea working conditions， it is found that there are temperature differences and formation causes at different heights and positions of the engine room. Optimization directions such as modifying the air outlet， installing ventilation pipes， and adding openings to the crossbeam are proposed. This provides an effective technical means for the design and verification of ventilation in modern ship engine rooms.

Key words： CFD;" temperature field;" quantitative comparison

1" " 引言

船舶機(jī)艙通風(fēng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)通常是依據(jù)ISO8861-1998柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行，這是目前較為廣泛采用的一種有效方法[1]。眾所周知，該方法的優(yōu)點(diǎn)權(quán)重遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其缺點(diǎn)權(quán)重，而隨著CFD技術(shù)在造船業(yè)普及的緣故， 其技術(shù)的精細(xì)化、局部化逐漸完善標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法的不足之處。

基于CFD技術(shù)對(duì)船舶機(jī)艙熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值仿真的研究在國(guó)內(nèi)外并不是很多，其原因有兩點(diǎn)：第一是機(jī)艙空間布置的設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)艙環(huán)境缺乏直觀感受；第二是設(shè)計(jì)者缺乏大量的實(shí)船數(shù)據(jù)，驗(yàn)證程度較低。而船廠則同時(shí)具有其優(yōu)勢(shì)：現(xiàn)場(chǎng)工程師的直接反饋以及實(shí)船試航時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可測(cè)性及驗(yàn)證性較好。因此，開(kāi)展船舶機(jī)艙的通風(fēng)CFD計(jì)算應(yīng)用是船舶設(shè)計(jì)由粗獷向精細(xì)轉(zhuǎn)變的最佳手段。

受限于船舶機(jī)艙的空間緊湊，以及船東、船員的切身反饋，機(jī)艙空間某些方位存在高溫現(xiàn)象，它不僅直接影響著船舶的安全運(yùn)行，還與節(jié)能減排目標(biāo)密切相關(guān)。本文以某支線集裝箱船為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)艙的熱環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬分析，找出艙內(nèi)高溫區(qū)域并分析成因，以便更精確地評(píng)估和優(yōu)化機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的性能。

2" " 機(jī)艙模型的參數(shù)化建模

建立幾何模型是進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的前提。模型的建立只有反映實(shí)際情況才能得出真實(shí)可信的計(jì)算結(jié)果[2]。然而，實(shí)際的設(shè)計(jì)包含較多的瑣碎細(xì)節(jié)，因此恰當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化模型是數(shù)值模擬的有效前置，即建模應(yīng)關(guān)注權(quán)重比較重的幾何模型。對(duì)于權(quán)重比的選擇，應(yīng)根據(jù)數(shù)值模擬的目的進(jìn)行確認(rèn)。

某集裝箱船舶機(jī)艙分為三層，上平臺(tái)、下平臺(tái)、底層/雙層底平臺(tái)。對(duì)于本文的研究，只涉及上平臺(tái)。該平臺(tái)包含三臺(tái)發(fā)電機(jī)、主機(jī)、儲(chǔ)油柜、泵設(shè)備、水電氣管路、小型舾裝件等，內(nèi)部分布錯(cuò)綜復(fù)雜。建立模型時(shí)必須進(jìn)行簡(jiǎn)化，根據(jù)權(quán)重比概念，只建立主機(jī)、發(fā)電機(jī)、通風(fēng)管道、儲(chǔ)油柜及甲板下加強(qiáng)這六種模型即可。對(duì)于幾何模型的建模，考慮到設(shè)計(jì)人員的后續(xù)修改可能，采用參數(shù)化建模這種快捷的方法。

對(duì)于參數(shù)化建模軟件的選擇，以參數(shù)化建模為基礎(chǔ)核心的CAESES軟件是首選。其思路分為兩種：一是傳統(tǒng)的點(diǎn)線面模式；二是新型的Feature模式[3]。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，選擇Feature模式進(jìn)行模塊開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，該方式具有可移植性、便捷性等特點(diǎn)。如圖1所示。

3" " 機(jī)艙數(shù)值計(jì)算與分析

3.1" "數(shù)值計(jì)算要點(diǎn)

本文使用的CFD軟件是STAR CCM+，界面友好，網(wǎng)格劃分模式眾多，工程數(shù)據(jù)高置信度，是多領(lǐng)域工程師強(qiáng)有力的工具。在應(yīng)用時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)。

1）特征長(zhǎng)度lc的選取。本文的進(jìn)風(fēng)口形狀是圓型管，選取管徑作為特征長(zhǎng)度；對(duì)其余形狀的進(jìn)風(fēng)口，其特征長(zhǎng)度lc=4s/lg，S為進(jìn)口截面的面積，lg為截面的周長(zhǎng)。

2）網(wǎng)格的劃分。采用STAR-CCM+軟件開(kāi)發(fā)的多面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分[5]，該網(wǎng)格具有適應(yīng)面廣的優(yōu)點(diǎn)。劃分過(guò)程注意兩方面：一是邊界層的計(jì)算，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5]中的“Wall Treatment Models Reference”一節(jié)，當(dāng)y+= 60可計(jì)算第一層邊界層網(wǎng)格中心到壁面的距離y，最后根據(jù)等比計(jì)算公式計(jì)算第n層的邊界層厚度d；二是網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的確認(rèn)，一般選擇特征長(zhǎng)度的50%作為基準(zhǔn)，分別按照" " " " " " " 0.707、" " " " " " " "0.841、" " " " " " 1.00、

1.189、" " " " 1.414的比例調(diào)整單元基礎(chǔ)尺寸大小用以研究網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

3）邊界條件的設(shè)置。首先是對(duì)于速率進(jìn)風(fēng)口，為提升收斂速度和防止發(fā)散，通常要考慮進(jìn)口的湍流強(qiáng)度I、湍動(dòng)粘度比μ0。對(duì)于湍流強(qiáng)度，一般是根據(jù)計(jì)算公式I=0.16（Re）-1/8進(jìn)行計(jì)算；或者根據(jù)湍流強(qiáng)度的三類模式[5]：高、中、低湍流工況，其對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度范圍分別為：5%-20%、1%-5%、0%-1%，進(jìn)行粗略判斷。對(duì)于湍動(dòng)粘度比μ0，是有湍動(dòng)粘度μt與動(dòng)力粘度μ的比值決定的[5]，即

（1）

式中：l為邊界層的第一層厚度；Cμ=0.09；υ為空氣粘度；V為入口速度。

對(duì)于發(fā)熱壁面邊界條件，主要考慮發(fā)熱設(shè)備的熱流密度qh，熱交換系數(shù)h，分別按式（2）（3）計(jì)算：

（2）

（3）

式中：Qh為設(shè)備的散熱量；SS為設(shè)備的表面積；ΔT為從進(jìn)風(fēng)口到出風(fēng)口的溫度增量。

4）物理模型的選取。由于機(jī)艙內(nèi)的設(shè)備布置、空氣流動(dòng)和傳熱非常復(fù)雜，需要以計(jì)算效率提升為目的，對(duì)數(shù)值模擬的設(shè)置做必要的假設(shè)和簡(jiǎn)化，詳見(jiàn)文獻(xiàn)[2，4]。根據(jù)總體設(shè)計(jì)，對(duì)于初始狀態(tài)設(shè)置，僅設(shè)置靜態(tài)溫度為35 ℃。

3.2" "數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)工程師反饋，所關(guān)注的區(qū)域溫度如下：一是靠近主甲板高度的區(qū)域，用于判定電纜等管線是否安全；二是視線高度區(qū)域，涉及船員經(jīng)常活動(dòng)的區(qū)域，其溫度是否滿足要求，是否形成一個(gè)良好的氣流循環(huán)區(qū)域，避免產(chǎn)生死角，主機(jī)等散熱設(shè)備附近風(fēng)速是否足夠大。

船舶機(jī)艙共有發(fā)電機(jī)三臺(tái)，共有兩種情況：三臺(tái)發(fā)電機(jī)同時(shí)工作的情況為進(jìn)出港口工況，以下簡(jiǎn)稱港口工況；任意兩臺(tái)發(fā)電機(jī)工作，另外一臺(tái)輪休為海上航行工況，以下簡(jiǎn)稱航行工況。對(duì)于航行工況，根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行的方式，分為左停工況、中停工況、右停工況，分別對(duì)應(yīng)左舷發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)、中部發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)、右舷發(fā)電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

1）溫度量化對(duì)比

根據(jù)船員反饋，選擇三個(gè)切面進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，分別為主甲板高度（Z=14 700 mm），吊軌高度（Z=14100mm），船員視線高度（Z=11 724 mm）。

以進(jìn)出港口的溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果為例，對(duì)切面的最大值、最小值、平均值進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖2所示。

從圖2可知，溫度值是波動(dòng)前行的，因此選擇一定數(shù)量周期內(nèi)的平均值為研究對(duì)象。提取海上航行工況和進(jìn)出港口工況的各切面溫度做量化對(duì)比，如表1所示。

表1" 溫度量化對(duì)比表

從表1可知，港口工況下的Z14 700平均溫度高于設(shè)計(jì)溫度60 ℃要求1.88%，長(zhǎng)久來(lái)看，對(duì)此處的管路是一種不可修復(fù)的損害；在Z14 100處，溫度下降到56.913 ℃，降到絕緣表面溫度以下；而視線高度Z11724處的溫度則低于機(jī)艙環(huán)境安全溫度45 ℃而海上工況的各切面平均溫度均滿足設(shè)計(jì)要求。其中，中停工況相對(duì)較好，左停工況相對(duì)較差；但三者的視線高度Z11724的溫度相差無(wú)幾，滿足船員的舒適感的要求。

2）三維溫度結(jié)果及分析

利用STAR-CCM+軟件自帶的可視化后處理功能，制作CFD云圖。船舶機(jī)艙的溫度場(chǎng)為三維空間形式分布如圖3和圖4所示。

從圖3知，內(nèi)部設(shè)備的整體溫度處在48.116 ℃以下。以45 ℃為最小界限，溫度相對(duì)較高者有二處：一是發(fā)電機(jī)電球部分區(qū)域其表面溫度較高，是其本身的散熱量和此處低風(fēng)速（無(wú)流動(dòng)狀態(tài)）造成的；二是通風(fēng)管系，部分區(qū)域出現(xiàn)較高溫度，且表面溫度梯度變化劇烈，究其原因是由于此處的空氣被加熱上升，無(wú)法流動(dòng)，導(dǎo)致溫度在此上升。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，該兩處所占比例不足1.5%。

對(duì)機(jī)艙內(nèi)部空氣速率流動(dòng)做分析，如圖4所示，三個(gè)出風(fēng)口氣流在流入機(jī)艙后，圍繞主機(jī)形成較大的氣旋；以發(fā)電機(jī)下端為中心直到機(jī)艙側(cè)壁的區(qū)域，氣流十分密集，流速也非常的高，可以帶走柴油發(fā)電機(jī)組散發(fā)的熱量，使得此區(qū)域溫度控制在合理范圍內(nèi)。同時(shí)也要看到發(fā)電機(jī)上端其余部分氣流相對(duì)稀薄，尤其是左舷發(fā)電機(jī)上端處，幾乎無(wú)流線存在，造成死角現(xiàn)象；而在右舷發(fā)電機(jī)處則有一個(gè)較大范圍的漩渦，使該處的空氣進(jìn)入空轉(zhuǎn)流動(dòng)狀態(tài)；同時(shí)排氣管處有回流流線存在，且速率較低。排煙管、儲(chǔ)油柜兩者附近的流線顯示速率較低，空氣流動(dòng)性差。

3）港口工況對(duì)比分析

從圖5 a）知，機(jī)艙頂部的最高溫度為62.086 ℃，超出絕緣表面溫度60 ℃，其超出溫度的區(qū)域主要位于左舷電機(jī)上方，其區(qū)域面積很小，約占該切面面積的1%。從圖5 b）知，吊軌高度處的最高溫度為56.316 ℃，低于絕緣表面溫度60 ℃，距62.086 ℃有5.77 ℃的溫差；分析其原因有兩點(diǎn)：一是吊軌至機(jī)艙頂部之間由于圍壁結(jié)構(gòu)的存在，且圍壁結(jié)構(gòu)中的T型梁未進(jìn)行貫穿孔建模，造成該區(qū)域空氣無(wú)法流通，形成一個(gè)死域，繼而熱量逐漸累積；第二個(gè)原因是此處的調(diào)風(fēng)口的設(shè)計(jì)風(fēng)力或方向無(wú)法有效的加速空氣流通，可進(jìn)行風(fēng)口樣式的改型、增加出風(fēng)口速率、調(diào)整風(fēng)口的方向等優(yōu)化。

以機(jī)艙非舒適溫度40 ℃為最小界限，實(shí)際溫度為最大界限切分形成圖5 c）。從圖5 c）知，在船員工作區(qū)域范圍，其最高溫度為46.100 ℃，超出機(jī)艙環(huán)境溫度接近1 ℃，超出溫度的區(qū)域主要位于電機(jī)電球的船艉方向。經(jīng)計(jì)算，船員工作范圍中的非舒適區(qū)域占該平面比例約60%，占比較高，需要改善。

4）海上航行工況對(duì)比及分析

由表1知，左停工況最差，中停工況最好，因此選擇該左停工況進(jìn)行分析。

在主甲板高度，從圖6 a）知，在圍壁結(jié)構(gòu)處仍存在熱量累積的現(xiàn)象，主要集中在電機(jī)上方，最高溫度達(dá)到54.726 ℃，但均未超過(guò)絕緣表面溫度60 ℃。

而到視線高度，由圖6 b）知，其切面平均溫度為39.385℃，低于舒適環(huán)境溫度40 ℃。其中，切面最高溫度為43.472 ℃，未超出機(jī)艙環(huán)境溫度45 ℃；超出40 ℃區(qū)域占該截面面積的比例分別為27.62%，其分布方位均處在出風(fēng)口背離區(qū)域，舒適度較高。

4" " 結(jié)論

本文利用 CFD 技術(shù)對(duì)基于柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值模擬，完成了艙內(nèi)溫度場(chǎng)在港口工況、航行工況下的分析，驗(yàn)證了工程設(shè)計(jì)。通過(guò)模擬分析可知：

1）數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)人員反饋結(jié)果一致性高，可用于指導(dǎo)后續(xù)船型及同類型船的設(shè)計(jì)改善，如改善高溫區(qū)域，可修改風(fēng)口風(fēng)量，提升風(fēng)口速率，優(yōu)化風(fēng)口樣式等；

2）運(yùn)行工況的時(shí)間決定了進(jìn)出港口工況和海上航行工況的優(yōu)化權(quán)重比。在當(dāng)前的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，港口工況存在較小范圍的熱量累計(jì)，海上航（下轉(zhuǎn)第頁(yè)）（上接第頁(yè)）

行工況則滿足設(shè)計(jì)要求。若基于營(yíng)運(yùn)的時(shí)間要求，可以忽略港口工況的熱量累計(jì)現(xiàn)象；

3）CFD模擬為優(yōu)化船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的工具，可以提升通風(fēng)效率，還能有效降低能耗，滿足環(huán)保和節(jié)能的要求，是現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)中的不可或缺的技術(shù)手段。

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