某專業南極磷蝦船貨艙流場的數值模擬及擋風板布置與姿態的優化設計

朱聞陽,王萬勇,孫瑜

(1.上海海事大學 海洋科學與工程學院,上海 201306;2.上海和創船舶工程有限公司,上海 200126)

我國南極磷蝦船開發起步較晚,缺乏設計、建造類似船舶的經驗,也缺乏專業捕撈系統、船載加工裝備設計、制造技術[1-3]。采用較低的溫度(-30℃及以下)凍藏可以最大限度保持南極磷蝦的品質,但在儲存、流通過程中,由于冷凍儲存設備故障造成的貨艙溫度大幅度波動的情況并不少見[4]。可靠的貨艙在磷蝦加工工藝中起著關鍵作用,有必要開展貨艙高效冷凍技術的研究。如若磷蝦船貨艙冷空氣流場不合理,將引起貨艙溫度不均勻等問題,且采用傳統方法測流場,時間長,成本高,結果不可靠[5]。當下我國現役的南極磷蝦船多為國外的二手船,有關其核心建造技術,很難找到公開文獻。為設計出合理的專業南極磷蝦船貨艙冷空氣流場,利用Fluent軟件對某新建專業南極磷蝦船貨艙的空氣流場和溫度場進行數值仿真,根據仿真結果,通過調整擋風板數量、長短等參數,探討南極磷蝦船貨艙流場設計優化方案。

1 研究對象

1.1 貨艙三維模型

整理南極磷蝦船實船貨艙的CAD圖紙獲得貨艙主要參數(見表1),并根據表1中的主要參數在Solidworks中建立該貨艙的三維模型(見圖1),三維模型包括艙室墻壁、擋風板、壁柱、通風小孔、通風地板等結構。

圖1 貨艙三維模型

表1 貨艙主要參數表

1.2 貨艙工作原理

貨艙采用冷風機強制循環通風,貨艙內設置專用的冷風機室,內部設置滿足制冷量要求的冷風機,并在貨艙頂部設置回風格柵。冷風機組在工作時入口為負壓,出口為正壓。貨艙通風地板上方的熱空氣會被入口處的負壓抽吸,經回風格柵進入到冷風機盤管內進行冷卻,充分冷卻后的冷氣經冷風機出口處的正壓送出,穿過通風地板上的若干小孔進入貨艙,與通風地板上方的空氣以及貨包換熱升溫后到達貨艙的上方,再被冷風機吸入進行冷卻,這樣循環以達到冷卻貨艙的效果。

2 數值模型的建立

2.1 網格劃分

南極磷蝦船貨艙總網格數為356萬,貨艙空間分為通風地板上、下方空間、連接通風地板上、下方空間的開孔,以及通風處的過渡空間3個部分(見圖2),先采用四面體網格對貨艙各部分空間獨立劃分,通風地板上、下方空間的網格數分別為201萬和149萬,過渡空間的網格數為6萬,再將劃分網格后的各部分空間拼接到一起形成一個完整的冷空氣流動空間。

圖2 貨艙空間分割

以溫度、速度和相對壓強為評價指標對上面劃分的網格進行無關性驗證。設置3組密度不同的網格,其尺寸依次減小1/4,將這三組網格按照密度的大小依次命名為S、M和L,對應的網格數分別是278萬、546萬和972萬。為保證數據的嚴謹性,沿貨艙的某一風道從近風端至遠風端依次設置4個等距的監測點,分別編號1～4,各點監測數據見表2。

表2 監測點數

分析表2中的數據可知,各監測點范圍內空氣的壓力場、流場和溫度場相差不大,這表明網格密度對數值計算結果影響較小。

2.2 湍流模型

考慮到RNGk-ε模型與標準k-ε湍流模型相比,得到的計算結果更為準確,在處理應變率高及流線彎曲程度較大的流動方面有優勢[6]。因此,在模擬中選用RNGk-ε模型作為湍流模型。引入以下假設：①貨艙通風口空氣流速較均勻;②因貨艙壁四周敷設不銹鋼面板的保溫材料,艙頂也加涂了保溫涂料,在實際工況下,除送、出風口和開關門外,貨艙密閉性較好,所以在模擬中忽略漏風量對計算結果的影響;③由于艙內氣體馬赫數不高,密度變化波動不大,基本符合布辛涅司克假設。

2.3 邊界條件

按照實際工況設計邊界條件：①將貨艙的各壁面按照實際熱力學參數輸入,貨艙各壁面熱力學參數見表3。采用標準壁面函數進行近壁處理,將對流熱傳導條件作為壁面條件;②速度入口邊界為冷氣入口,壓力出口邊界為回風口,兩者溫度設為-35 ℃,艙內空氣流量設為72 000 m3/h。

表3 貨艙壁面熱力學參數

2.4 數值計算原理及設置

基于軟件Fluent進行數值模擬計算,選擇干空氣作為流體介質,其密度為1.484 kg/m3,比熱為1.013 kJ/(kg·℃),導熱系數為0.021 5 W/(m·℃)。模擬中的數學模型由湍流動能k方程,湍流耗散率ε方程和流體力學3大方程組成。質量以及動量守恒方程的半離散形式廣義控制方程為,在熱傳導方面考慮Fourier定律和牛頓冷卻定律。對上述數學模型的離散求解運用有限體積法,在進行數值計算前速度、壓力的耦合應用SIMPLE算法實現,初始化并開始計算,待計算結果收斂后再處理分析。

(1)

式中：下標0為當前控制單元;ρ為流體密度;u為速度矢量;V為控制單元體體積;f為構成控制單元的面元;Γ為廣義擴散系數;Sφ為廣義源項;a為面元的面積矢量;φ為面元中心位置的任意流體物理量,將φ定義為速度、壓力等物理量,并選擇合理的擴散系數Γ和源項S,可以獲得質量守恒方程和動量守恒方程。

(2)

式中：Q為熱流量;λ為導熱系數;“-”表示熱量傳遞方向和溫度升高方向相反;A為導熱面積;dt/dx為沿熱流方向的溫度梯度。

Φ=qA=AhΔt

(3)

式中：Φ為傳熱功率;q為熱流密度;A為傳熱面積;h為物質的對流傳熱系數;Δt為流體與壁面的溫度差。

模擬計算中的溫度場云圖單位均采用熱力學溫度(K)。

3 數值計算與優化

3.1 貨艙通風上方空間模擬計算結果

該專業南極磷蝦船貨艙的設計溫度是-35 ℃,采用2.4中的數值模型對貨艙處于空艙狀態下通風地板上方空間的空氣流場、溫度場進行仿真與分析,選取貨艙的50%高度(H=1.35 m)水平剖面作為展示面,見圖3。

分析圖3可知,出風口和回風口的壓差在9～15 Pa,貨艙通風上方空間的邊緣處存在少量的通風死角。這些邊緣區域的冷空氣流速相較于正常流速低0.8～0.9 m/s,但貨艙通風上方空間的整體溫度場較均勻,所以著重對貨艙通風下方空間的流場和溫度場進行模擬分析。

3.2 貨艙通風下方空間模擬計算結果

對貨艙通風下方空間進行模擬計算,根據計算結果找出貨艙通風下方空間的送風死角和溫度不均勻處并進行優化,展示面以50%貨艙地板下方高度(H=0.11 m)剖面為例。貨艙通風下方空間優化前后的模型、流場、溫度場,見圖4～6。優化方案分2步：①由于圖4左上線框內擋風板的左側沒有進風口,添加擋風板會降低該區域的流速,從而影響該區域的散熱。故撤掉圖4左上方框內的5個擋風板,并適當縮短相鄰的幾個擋風板,使擋板撤掉和縮短區域涌入大量冷空氣;②對于冷空氣無法到達的區域,增設引流板,引導冷空氣流過使整個空間內送風均勻。

圖4 優化前后模型

對比分析圖5、6的模擬結果,可知艙底擋風板未優化區域的流場基本沒有變化,原先冷空氣流場較差的區域通過撤掉和縮短部分擋風板,使得大量冷空氣流入該區域,但仍有少量貼近通風入口處的送風死角無法吹到,故設置兩塊高度為110 mm的引流板增加通風量。之后貨艙通風下方空間的溫度場也隨流場的改善得到了較大的改進,冷空氣未流經區域的溫度比其他正常區域高2.2～2.9 ℃,優化后的區域和正常區域的溫度基本相同,但少量死角區域的溫度仍高1～2 ℃。

圖5 H=0.11 m剖面流場

圖6 H=0.11 m剖面溫度場

3.3 優化后貨艙關鍵剖面數值模擬與分析

為驗證3.2優化方案的可行性,主要對優化后的貨艙關鍵剖面的壓力、速度、溫度場進行數值模擬與分析。選取的關鍵剖面為地板下方空間高度的50%(H=0.11 m)剖面、貨艙的50%高度(H=1.35 m)剖面、通風小孔剖面以及貨艙的中縱剖面。展示面以H=1.35 m剖面為例,見圖7。

圖7 貨艙的50%高度(H=1.35 m)剖面計算結果

由圖7可見,①貨艙壓力場,艙內氣壓基本接近1標準大氣壓,且壓強變化幅度不大,差值在10～20 Pa,對結構不產生多余的載荷;②貨艙速度場,改進后貨艙內冷空氣流動變得均勻,艙內整體風速在4.5～5.0 m/s,部分邊緣處風速略低0.1～0.3 m/s,通風小孔附近的風速在3.9～4.1 m/s;③貨艙溫度場,改進后貨艙內溫度場較均勻,其整體溫度能達到-35 ℃。綜上,該優化方案有助于改善貨艙的流場和溫度場。

3.4 實測實驗

對優化后的南極磷蝦船貨艙進行實船應用實驗,各溫度監測點位置,測點編號為TS1～TS8。某日截取時段實測數據見表4。

表4 貨艙8月某日截取時段實測數據

分析表4中數據,艙內各溫度監測點全達到-35 ℃的時間大約在第二日的00：28。用軟件計算出該時刻各監測點的模擬溫度,見表5。

表5 貨艙0：28時刻各測點模擬數據表

比較表4、5中(00：28+d)時刻的數據可知,貨艙內整體溫度達到-35 ℃時的實驗數據與模擬計算數據較吻合,符合貨艙冷凍溫度的設計要求。

3.5 貨艙滿艙模擬與分析

為找出貨艙中冷空氣流速相對較低的區域,對H=1.35 m(貨艙高度的50%)剖面處的近風端、遠風端和舷側位置進行滿艙模擬分析。貨物為南極磷蝦凍蝦貨包,尺寸為1.209 m×1.078 m×1.232 m,比熱約為1.84～1.85 kJ/(kg·℃),導熱系數約為1.65～1.67 W/(m·℃)。模擬結果發現,近風端風速達到4～5 m/s,遠風端風速在3.6～4.5 m/s,艙舷側風速為2～4 m/s,說明貨艙舷側位置通風相對較差。

3.6 最不利工況下貨包的冷卻模擬

為了檢驗優化后貨艙的制冷效果,模擬最不利工況下艙內凍蝦貨包從-33 ℃冷卻至-35 ℃的過程。在貨艙通風相對較差的舷側位置設置凍蝦貨包(尺寸與3.5相同)。假設凍蝦貨包頂部和外部的2個面空氣導熱,其余4個面絕熱。貨包的布置位置與冷卻模擬過程見圖8。

圖8 凍蝦貨包冷卻過程模擬示意

圖8展示了0、20、40和60 min時凍蝦貨包的溫度,選取50%的貨包高度(H=0.616 m)剖面作為觀察面。冷卻40 min后,凍蝦貨包的溫度已接近-35 ℃。60 min后,凍蝦貨包的溫度已達到-35 ℃。最不利工況下凍蝦貨包的冷卻模擬結果表明,優化后的南極磷蝦船貨艙的冷凍能力符合設計標準。

4 結論

1)貨艙優化后的數值模擬和實驗結果證明通過調整冷風機組未涉及區域的擋風板的數量、長短以及增設引流板可以起到改善南極磷蝦船貨艙的流場和溫度場的作用。與傳統的拓寬冷風機組來改善通風量的方法相比,該優化方法可節約能源,優化后的貨艙內整體風速達到4.5 m/s～5.0 m/s,溫度場也趨于均勻。同時,該貨艙所用冷卻系統以及設計方案是可行的。

2)運用Fluent軟件計算南極磷蝦船貨艙流場的方法相較于傳統測流場的方法,不僅省時省力,且精度較高。

3)對最不利工況下專業南極磷蝦船貨艙內凍蝦貨包的降溫過程進行數值模擬,模擬結果證明該船貨艙冷凍能力可靠。由于目前缺乏南極磷蝦實驗樣本,下一步研究將針對最不利工況下該專業南極磷蝦船貨艙的冷凍性能進行實驗驗證,并與模擬結果進行對比分析。