船舶進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣特性的數(shù)值研究

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(1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026；2．中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司 船舶系統(tǒng)工程部，北京 100036)

傳統(tǒng)船舶空氣動力學(xué)研究大多采用風(fēng)洞實測的方法確定流場速度和壓力分布。該方法造價高，耗資大并且在風(fēng)洞試驗中存在著動力相似和幾何相似的影響，還要考慮風(fēng)洞邊界條件的影響和湍流、風(fēng)速、風(fēng)向、雷諾數(shù)等。實驗結(jié)果要進(jìn)行換算，還存在測量點有限、采集數(shù)據(jù)的測量誤差等問題，對于紊亂的流動區(qū)域難以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果[1-2]。利用數(shù)值模擬的方法研究船舶內(nèi)外流場的流動狀況，對流場參數(shù)進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)的研究方法結(jié)合，可以有效地改善船舶性能、節(jié)約研究資金，提高研究效率。

目前，國內(nèi)開展的進(jìn)氣室內(nèi)流場研究中，針對進(jìn)氣濾清裝置和蝸殼內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化的研究相對較多[3-4]，但是考慮進(jìn)氣室整體結(jié)構(gòu)以及消音器、濾清器等氣動阻力影響的研究很少。同時，航行中的船體由于其外流場所處的環(huán)境的變化、甲板上的各種設(shè)施使空氣流場中包含了流體分離、脫落渦、循環(huán)等諸多復(fù)雜現(xiàn)象[5-6]。這些流動的復(fù)雜性直接導(dǎo)致了進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部流動的不確定性，其最大的影響就是動力系統(tǒng)進(jìn)氣流量的變化。在某些條件下會引起進(jìn)氣流量不足致使動力系統(tǒng)無法正常工作。進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣流量的變化通過濾清器前后壓差的變化得以體現(xiàn)，因此往往要在濾清器前后安裝壓力探測裝置，當(dāng)壓差大于一定值就會報警，以便及時采取補(bǔ)救措施，增加進(jìn)氣流量。但是在實際工作中，濾清器前后壓差還沒有達(dá)到臨界值，報警器就會報警，給實際工作帶來不必要的麻煩。因此研究濾清器前后壓差隨進(jìn)口流動參數(shù)的變化規(guī)律，并探求壓差變化與測點位置間的關(guān)系是十分必要的。

本文用定常數(shù)值模擬的方法研究額定進(jìn)氣條件下進(jìn)氣系統(tǒng)的總體性能；在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，以周期函數(shù)的形式模擬外流場的變化，對進(jìn)氣室內(nèi)部流場進(jìn)行非定常研究。重點研究進(jìn)口氣流條件變化對濾清器前后壓差的影響，為壓差探測裝置的安裝位置以及敏感度的設(shè)置提出建議。

1 計算模型和邊界條件

1.1 計算模型

本文研究的某船舶進(jìn)氣系統(tǒng)由前進(jìn)氣室、后進(jìn)氣室、消音器、豎井和進(jìn)氣蝸殼等結(jié)構(gòu)組成。計算模型由Gambit生成，見圖1。其中百葉窗、濾清器和豎井處采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的消音器以及前后進(jìn)氣室則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計算域整體網(wǎng)格數(shù)約為159.6萬。

1.2 邊界條件

1.2.1 定常計算邊界條件

氣體流經(jīng)進(jìn)氣系統(tǒng)的過程中，受百葉窗、濾清器等結(jié)構(gòu)的阻力影響很大，造成較大的壓力損失。因此，為了盡可能真實地反映進(jìn)氣系統(tǒng)的性能，這些部件的阻力是不能被忽略的。但是在數(shù)值模擬中，真實地再現(xiàn)這些部件的具體結(jié)構(gòu)，比如慣性級的結(jié)構(gòu)，勢必會使計算網(wǎng)格大量增加，增加計算難度和周期。因此，本研究采用Fluent軟件包內(nèi)的Fan邊界條件來直接給出這些結(jié)構(gòu)后的壓力損失，從而使計算簡化。

圖1 進(jìn)氣系統(tǒng)模型

Fan邊界是Fluent軟件包中的一個模型。該模型假設(shè)在流場中存在一個無限小的風(fēng)扇(見圖2)，對其后氣流產(chǎn)生作用，使其后氣流存在一定的壓升。這樣一種壓力的不連續(xù)可以用與速度相關(guān)的方程表示，該方程可以是常量，也可以是多項式、分段函數(shù)或者自定義的某種函數(shù)。本文通過給定一個常量來表示相應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻力。

圖2 Fan模型作用示意

具體邊界條件設(shè)置見圖3。百葉窗進(jìn)口給定質(zhì)量進(jìn)口，進(jìn)口流量為燃?xì)廨啓C(jī)額定工作流量(本文中所涉及的流量、壓力均以與額定流量的比值形式表示)。進(jìn)氣蝸殼出口給定壓力出口。百葉窗出口、濾清器出口以及進(jìn)氣蝸殼進(jìn)口給定Fan邊界條件。消音器出口和豎井進(jìn)口交界按混和平面法處理。其它固體邊界作壁面處理。給定濾清器壁面粗糙度系數(shù)1，消音器隔板給定粗糙度系數(shù)0.5，粗糙度高度0.001 m。計算采用二階迎風(fēng)格式，湍流模型選取標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型，其中k取0.8，湍流耗散率ε取0.8。

圖3 邊界條件示意

1.2.2 非定常計算進(jìn)口條件

由文獻(xiàn)[6]知，風(fēng)速恒定時，進(jìn)氣室百葉窗前的總壓變化與船體和風(fēng)向的夾角近似成正弦關(guān)系。本文在研究進(jìn)氣室內(nèi)部流場隨外界條件變化時做如下簡化：假定航向、航速和風(fēng)速恒定，而風(fēng)向以一定頻率變化。在這種條件下求解內(nèi)部流場參數(shù)隨進(jìn)口總壓的變化情況，假設(shè)進(jìn)口總壓波動按正弦形式變化，即

p*=101 450+Asin(ωt)

(1)

式中:ω——風(fēng)向變化的角速度；

t——時間步長；

A——總壓變化的幅值。

研究中假定船的航向和航速不變，風(fēng)向改變可以使進(jìn)口總壓分布涵蓋船在不同風(fēng)向時的大多數(shù)進(jìn)口總壓值，而風(fēng)向變化的角速度越大也就意味著風(fēng)向改變得越快。考慮到本文研究的重點是濾清器前后壓差隨進(jìn)口條件變化的情況，而實際中濾清器前后允許的最大壓差為250 Pa，因而確定進(jìn)口總壓波動曲線中A為250 Pa，同時，給定為0.497 1 rad/s，也就是風(fēng)向轉(zhuǎn)動1周的周期為12.63 s，則進(jìn)口壓力曲線見圖4。

圖4 百葉窗進(jìn)口總壓波動曲線

非定常計算采用雙時間步法，對出口流量進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)流量呈現(xiàn)規(guī)則的周期性變化時認(rèn)為計算進(jìn)入收斂階段，開始對計算結(jié)果進(jìn)行保存。

2 計算結(jié)果分析

2.1 定常計算結(jié)果分析

為了能夠定量分析各位置的壓力變化，選定如圖5所示截面。各截面與對應(yīng)的百葉窗出口、濾清器進(jìn)出口以及進(jìn)氣蝸殼進(jìn)口均相距5 mm。各截面位置的總壓與給定值的比較見表1?？梢钥闯?，百葉窗和濾清器前后的壓力損失與給定值很接近，只有蝸殼前后的壓力損失與給定值差別較大。這是因為蝸殼處氣流發(fā)生90°折轉(zhuǎn)，流場的不均勻性必然會增加，從而增加流動損失?？梢酝茢?，在蝸殼附近流動非常復(fù)雜，損失也很大。從其它位置壓力損失的計算結(jié)果來看，文中采用的Fan邊界條件基本可以準(zhǔn)確地模擬壓力損失。

圖5 描述阻力損失的截面

表1 各裝置壓力損失

由百葉窗進(jìn)口至進(jìn)氣蝸殼出口的氣流壓差曲線見圖6。

圖6 壓差曲線

從圖6可見，壓差的變化有三次階越。第一次壓力損失最大，即濾清器慣性級的影響；第二次損失相對最小，是后進(jìn)氣室氣流轉(zhuǎn)向進(jìn)入消音器所引起的；第三次壓力損失主要是在蝸殼部分產(chǎn)生的，除了空氣阻力引起的損失外，絕大部分損失是由于氣流變向，流場不均勻引起的。

2.2 進(jìn)氣系統(tǒng)非定常研究

為防止進(jìn)氣室濾清器前后壓差過大，特在濾清器前后布置總壓測點，當(dāng)測點壓差大于臨界值時，報警器就會報警，從而開啟應(yīng)急裝置增加濾清器后總壓。為了系統(tǒng)研究壓差與測點位置間的關(guān)系，選取如圖7所示的G1～G7點作為總壓差的監(jiān)測點。其中，G2點為船體實際工作中壓差探測器的布置位置，G5點在G2點正上方，G1、G3、G4、G6分別位于濾清器窗口的四角處，G7位于小濾清器窗口底邊的中央位置。濾清器后部測點與前測點位置一一對應(yīng)。計算中求得各個時刻的濾清器前后測點的總壓值，然后將各點對應(yīng)時刻的總壓值相減得到各測點的壓差隨時間變化曲線。

圖7 濾清器前后壓差測點布置

為方便表述，將濾清器前總壓用“front”表示，濾清器后總壓用“back”表示。不同時刻各測點濾清器前后的總壓見圖8。顯然，測點前后的總壓分布與百葉窗進(jìn)口相比存在一定的相位偏移，但測點前的相位偏移很小，而測點后偏移較大。

從測點前后總壓分布曲線可以看出，測點位置不同，測點前后總壓的分布存在很大差異。在靠近進(jìn)氣室的底部各測點處，濾清器前總壓普遍高于濾清器后的總壓，尤以G3測點處最為明顯；而中間高度處的測點(G4～G7)總壓分布則剛好相反，濾清器后的總壓要高一些。可以初步確定，在G3測點處獲得壓差全部為負(fù)值，也就是總壓有損失；而在G7測點處獲得總壓則全部為正值，說明此處總壓升高。另外，除總壓損失或總壓升高會產(chǎn)生壓差外，測點前后總壓變化的不同步同樣是造成壓差的原因。

圖8 燃燒空氣濾清器前后總壓分布曲線

3 結(jié)論

1)Fan邊界條件基本可以準(zhǔn)確地模擬各關(guān)鍵部件前后的壓力損失，加上研究中對進(jìn)氣系統(tǒng)的完整建模，從而使流場計算結(jié)果更接近真實情況。氣流流經(jīng)進(jìn)氣系統(tǒng)有三次明顯的壓力損失，第一次壓力損失最大，即濾清器慣性級的影響，第二次和第三次壓力損失主要由氣流轉(zhuǎn)向引起。

2)濾清器前后產(chǎn)生壓差的原因有兩個:①氣體經(jīng)過濾清器后壓力損失；②氣體經(jīng)過濾清器后壓力損失很小，但是相位不同造成壓差。不同測點處得到的壓差曲線差別很大，存在完全正壓差或完全負(fù)壓差的情況

3)基于測量濾清器前后壓差的目的，測點不應(yīng)放置在G7附近。G2位置正負(fù)壓差變化較平均，是比較理想的觀測點。

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