船舶機艙機械通風(fēng)數(shù)值模擬分析和優(yōu)化設(shè)計

郭昂，郭衛(wèi)杰，王馳明，封海寶

1 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇無錫 214082

2 廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361000

0 引 言

某海監(jiān)船系泊試驗過程中在進行機艙機械通風(fēng)效用試驗時，發(fā)現(xiàn)存在機艙內(nèi)部氣流分布不均、風(fēng)速梯度變化較大、某些船員活動區(qū)域和操作區(qū)域溫度偏高、局部區(qū)域油氣味道太重且有氣流漩渦產(chǎn)生等問題，從而影響到船員工作的舒適性和安全性，且不利于機艙設(shè)備換熱。因此，有必要針對該船機艙機械通風(fēng)系統(tǒng)進行數(shù)值模擬分析，以找出解決方案，從而為其它船舶機艙機械通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計提供參考價值。本文基于CFD技術(shù)對船舶機艙機械通風(fēng)系統(tǒng)進行分析，該技術(shù)是目前最節(jié)約、最有效的方法之一［1］。

1 船舶機艙機械通風(fēng)系統(tǒng)的物理模型

以某海監(jiān)船為研究對象，采用Pro/E來建立其機艙及艙內(nèi)設(shè)備的三維模型。該海監(jiān)船機艙參數(shù)如下：機艙長13 m，寬10 m，最高處5.1 m，且機電設(shè)備較多、管線復(fù)雜，因此，必須對機艙進行簡化，以使所建物理模型能夠適合數(shù)值模擬計算。

首先，根據(jù)船舶機艙段型線圖建立機艙外板物理模型，其中對機艙熱環(huán)境影響較小的油泵、水泵、油水管路及附件、配電板和控制器等機電設(shè)備可忽略不計。隨后，應(yīng)對對艙內(nèi)氣流流場和熱環(huán)境影響較大的設(shè)備物理模型進行建模：2臺主機及其排煙管、3臺發(fā)電機、燃油鍋爐、雙熱源洗滌裝置、空氣瓶和岸電穩(wěn)壓裝置、鼓風(fēng)機和進氣圍井等。物理建模過程中，這些影響較大設(shè)備的外形尺寸應(yīng)與實際尺寸相同，進排氣圍井可用立方體代替，并對邊界做無厚度壁面處理。船舶機艙簡化后的幾何模型如圖1所示。

圖1 船舶機艙幾何模型Fig.1 Geometrical model of ship engine room

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型建立

本文采用FLUENT軟件對機艙氣相組織分布進行模擬分析，通風(fēng)則選用k-ε湍流模型進行數(shù)值模擬。為提高模擬效率，以獲得較好的模擬效果，進行如下理想化處理［2］：

1）流體為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動過程；

2）除了機艙進排風(fēng)和主機排氣外，艙內(nèi)應(yīng)密閉良好，沒有其他位置的漏氣現(xiàn)象；

3）該機艙使用“A-60”級絕緣材料包覆，并對其壁面和上甲板作絕熱處理，輻射傳熱可忽略不計。

2.2 邊界條件設(shè)置

利用Gambit網(wǎng)格化軟件對物理模型進行網(wǎng)格劃分，由于該機艙內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計算模型主要采用具有較強適應(yīng)性的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分，并對重要換熱面和進排氣圍井進行適當(dāng)網(wǎng)格加密處理，由此，得到網(wǎng)格數(shù)量為210萬。對網(wǎng)格質(zhì)量描述如下：最小體積大于零，扭曲率在0.6～1之間的僅占1.19%。模擬工況為：夏季，船舶以主機MCR工況點全速航行，2臺副機則以額定工況并機運行。根據(jù)實際工況和設(shè)備性能進行邊界條件設(shè)置［3-6］，如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置Tab.1 Boundary conditions set up

3 模擬過程和結(jié)果分析

計算收斂之后，選擇船員經(jīng)常巡視和操作區(qū)域的典型截面進行分析，并選取X=1.3 m，Y=0.7 m截面進行氣流速度場和溫度場觀察，如圖2和圖3所示。

將艙內(nèi)主要部位（X=1.3 m）溫度的模擬值與系泊試驗的測量值進行比較，溫度測量點位置如圖4所示，比較結(jié)果如表2所示。

表2 溫度模擬值與測量值比較Tab.2 Temperature comparison between calculated values and measured values

由表2可以看出，模擬值和測量值存在一定差別，但誤差較小，在3%以下，從而證明了本文所建計算模型的正確性。

圖2 截面氣流速度場圖Fig.2 The section of air velocity field

圖3 截面氣流溫度場圖Fig.3 The section of air temperature field

圖4 溫度測量點位置Fig.4 Locations of temperature measured points

由圖2和圖3可以看出：

1）機艙后段氣流速度很小，存在氣流死區(qū)，并且，由于氣體不能有效流動而導(dǎo)致機艙后段廢熱無法排出，故溫度偏高，這與溫度分布圖（X=1.3 m）上該處顯示的溫度一致。同時，機艙后段右側(cè)存在氣流大漩渦，且兩側(cè)分別是滑油艙和污油艙，后側(cè)是2個燃油艙，該機艙后段右側(cè)會有油霧匯集且無法正常排出［7-8］。

2）機艙前側(cè)風(fēng)口下方氣流會產(chǎn)生很大靜壓和動壓，且平均氣流速度大于9 m/s，從而產(chǎn)生較大噪聲，人通過此處會感覺非常不適。同時，左側(cè)風(fēng)口距離燃油鍋爐較近，部分新風(fēng)直接吹向爐體，這會導(dǎo)致爐體產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱量損失。

3）機艙前側(cè)氣流速度高、溫度較低；后側(cè)氣流速度慢、溫度較高，且機艙氣流速度梯度變化大，溫度最高的地方停留在2臺主機和2臺副機之間的區(qū)域：50～54℃。這是因為：根據(jù)《機械設(shè)備計算書》可知，主機燃燒所需氣流量約是軸流風(fēng)機氣流量的一半，而進氣圍井離主機進氣濾器較近，會產(chǎn)生氣流短路，這就使得新鮮空氣無法形成有效的換熱回路就被排出［9］。尤其是2臺副機和2臺主機之間，這是主、副機顯示器和控制器的所在位置（溫度較高），不利于電子設(shè)備的長期使用和人員操作。同時，其也不滿足海船規(guī)范對于機艙溫度的要求。

上述模擬結(jié)果與該船機艙機械通風(fēng)系統(tǒng)進行系泊試驗時得到的結(jié)果相一致，因此，需要對機艙機械通風(fēng)系統(tǒng)采取及時有效的改進措施，以提高船舶安全性和舒適性。

4 通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化方案

優(yōu)化措施如下：將機械送風(fēng)口改為機械抽風(fēng)口，風(fēng)機通風(fēng)量保持不變；將壓力進口改為壓力出口，保證負(fù)壓在人的舒適度范圍內(nèi)；其它邊界條件不變。同樣，進行上述非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分和求解設(shè)置，計算收斂后，觀察相同位置的速度場和溫度場，如圖5～圖6所示。

由圖5和圖6可以看出：

1）機艙后側(cè)的氣流死區(qū)流速提高3～4.5 m/s，該處溫度由42℃降低到33℃；

2）機艙整體氣流分布更加均勻，速度梯度明顯減小，氣相組織明顯改善，人活動區(qū)域的最高流速為7.2 m/s（出現(xiàn)在進風(fēng)口底部），抽風(fēng)口底部流速降為3～4 m/s，主、副機之間的活動區(qū)域溫度降為37～40℃。這是因為：采用機械抽風(fēng)加自然進風(fēng)的通風(fēng)形式后，新鮮空氣的換熱行程增加，從而避免了機艙進風(fēng)和主機的進風(fēng)短路，氣相組織湍流特性增加。同時，優(yōu)化前的進氣圍井截面平均流速為-3.85 m/s（圖2），優(yōu)化后的該處平均流速為7.6 m/s（圖4），可知，機艙實際進風(fēng)量增加了近50%，這是由于主、副機進風(fēng)端的抽吸作用所致。

但是，在機艙中段右側(cè)出現(xiàn)了較大氣流漩渦，氣流速度為0～1 m/s，使得該處溫度為47～53℃，因此，需對此處進行改進?？稍谠撎幧霞装逶黾?個600 mm×600 mm的新增風(fēng)口，如圖7所示。

圖5 優(yōu)化后截面氣流速度場圖Fig.5 The section of air velocity field after optimization

圖6 優(yōu)化后截面氣流溫度場圖Fig.6 The section of air temperature field after optimization

圖7 新增風(fēng)口布置圖Fig.7 The arrangement of the added inlet

與上述設(shè)置相同，計算收斂后，觀察相同位置的氣流速度場、溫度場和靜壓場，如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可以看出：

改動后的氣流分布更加均勻，速度梯度明顯減小，氣相組織明顯改善，最大風(fēng)速在機艙進風(fēng)口處，為5.5 m/s。同時，機艙內(nèi)部沒有氣流漩渦和氣流死區(qū)，溫度分布明顯改善，工作區(qū)域絕大部分為34～40℃之間。溫度最高處在左主機和鍋爐之間，約50℃，但是該處地方狹窄，沒有需要經(jīng)常操作的機電設(shè)備，因此可以接受。此外，機艙環(huán)境負(fù)壓為-80～-66 Pa，在人的舒適度范圍內(nèi)［10］。

布置新增風(fēng)口時要注意避開上甲板系泊設(shè)備及其工作區(qū)域，可以考慮采用自然通風(fēng)頭或者進氣濾水百葉窗的型式，這樣施工方便、安全美觀，且滿足規(guī)范要求。

圖8 對優(yōu)化方案進行改動后的截面氣流速度場圖Fig.8 The section of air velocity field after alteration to the optimization plan

圖9 對優(yōu)化方案進行改動后的截面氣流溫度場圖Fig.9 The section of air temperature field after alteration to the optimization plan

圖10 對優(yōu)化方案進行改動后的截面氣流靜壓場圖Fig.10 The section of air static pressure field after alteration to the optimization plan

5 結(jié)語

本文利用CFD技術(shù)對機艙內(nèi)的通風(fēng)情況進行數(shù)值模擬，得到了機艙氣相組織的詳細(xì)分布，并利用FLUENT軟件對改進方案進行模擬、分析，其結(jié)果為工程設(shè)計提供了參考依據(jù)。通過模擬分析可知：

1）對于某些船舶的機艙機械通風(fēng)系統(tǒng)，可以采用機械送風(fēng)取代機械抽風(fēng)的換氣模式，這樣能夠取得更好的供氣換熱效果。

2）對機械抽風(fēng)和自然進風(fēng)組合的機艙機械通風(fēng)形式，可以進一步優(yōu)化處理，通過在上甲板開一個新增風(fēng)口后，人員活動區(qū)域的溫度更加符合設(shè)計和規(guī)范要求。

3）有效簡化機艙物理模型，并合理設(shè)置機電設(shè)備和艙壁邊界條件是進行機艙通風(fēng)數(shù)值模擬的有效手段。

隨著計算機性能的提高和設(shè)備資料的完善，可以建立更為真實的機艙模擬，以提高模擬效果。此外，機艙通風(fēng)的優(yōu)化方式有多種，如改變風(fēng)口位置、大小、數(shù)量，在艙內(nèi)增加隔板，或采用空氣射流技術(shù)等，這些有待進一步研究。

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