典型艦船通風圍阱氣流組織數(shù)值模擬

馬英華，張益誠，王　洋，周　榕

(1.海軍裝備部 駐沈陽地區(qū)軍事代表局，沈陽 110031; 2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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典型艦船通風圍阱氣流組織數(shù)值模擬

馬英華1，張益誠2，王洋2，周榕2

(1.海軍裝備部 駐沈陽地區(qū)軍事代表局，沈陽 110031; 2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：針對采用了導流板和未采用導流板的兩種典型艦船通風圍阱結構形式的特點，利用計算流體動力學(CFD)技術，建立實船典型圍阱結構模型，并對該模型的速度場和氣流壓力分布進行數(shù)值模擬分析。結果表明，導流板通過使風道截面平滑過渡，能明顯改善圍阱內(nèi)的流動阻力，是優(yōu)化通風圍阱設計的有效方法。

關鍵詞：圍阱；CFD；船舶通風

通常軍用艦船艙室相對封閉、人員密集、設備復雜且容易出現(xiàn)空氣污染的情況[1]。艦船通風系統(tǒng)用于排除艙室內(nèi)的渾濁和高溫空氣，并輸入外界的新鮮空氣，保障船員的工作和生活條件，提供設備正常運轉環(huán)境[2]。通風圍阱是艦船與大氣之間空氣流動的通道，是艦船通風系統(tǒng)的關鍵設備之一[3]。針對艦船艙室特點，優(yōu)化通風圍阱結構設計是保障艦船艙室內(nèi)空氣品質(zhì)的重要手段。通過改善圍阱設計，減小圍阱內(nèi)空氣的流動阻力，不僅有利于艦船艙室內(nèi)的換氣效率，而且能減小空氣流動產(chǎn)生的噪聲[4]。計算流體動力學(CFD)技術是設計流體機械結構的有效方法[5-6]，通過建立典型艦船通風圍阱模型，對空氣流通在其中流動時的速度場和壓力分布進行模擬計算，分析其流動特性，優(yōu)化通風圍阱設計。

1圍阱內(nèi)空氣流動特性

空氣在流過通風圍阱時，其壓力損失包括沿程損失和局部損失[7-8]。

典型通風圍阱的結構模型如圖1所示，兩圍阱大小相同，圍阱內(nèi)結構橫向貫穿整個圍阱，且四個T形梁結構等間距布置在整個斜面上。圖1a)安裝有導流板，圖1b)沒有導流板?？諝鈴膰屙敳窟M風，底部出風。

圖1　典型通風圍阱二維結構圖

根據(jù)上述圍阱結構，采用GAMBIT建立二維模型，采用FLUENT模擬圍阱內(nèi)風速分別為5 m/s時兩圍阱內(nèi)空氣流動情況[9-10]。圍阱內(nèi)壓力分布模擬結果見圖2，速度云圖見圖3。

圖2　風速為5 m/s時圍阱內(nèi)空氣壓力分布云圖

圖3　風速為5 m/s時圍阱內(nèi)空氣速度分布云圖

對比分析壓力云圖和速度云圖可以看出，當空氣穿過不帶導流板的通風圍阱時，由于氣流會迎面撞向通風圍阱內(nèi)的T形梁(正好是迎風結構)，流經(jīng)風道的風在T形梁的迎風面處產(chǎn)生流動滯止現(xiàn)象，速度減小為0 m/s，產(chǎn)生滯止靜壓區(qū)，在流道中形成高壓區(qū)，減少了有效的通流面積，導致主流的速度額外加大。

同時，由于T形梁對流動的阻擋作用，背風處由于繞流形成渦旋流動，導致通過的流體的能量損失。在梯子背風處的空氣流速瞬間減小，因而梯子的背風處會產(chǎn)生負壓，且T形梁之間的區(qū)域的靜壓值要比主流區(qū)域的靜壓值低，所以主流區(qū)域會有部分空氣進入2個梯子之間的區(qū)域，產(chǎn)生渦旋，這進一步增大了局部壓力損失，該局部損失在壓力損失中占主要地位。以上2個原因?qū)е略诓患友b導流板時，氣流經(jīng)過通風圍阱的壓力損失較大。

而當風經(jīng)過帶導流板的通風圍阱時，雖然風在通風圍阱入口的漸縮段會產(chǎn)生一定的局部阻力損失，但是沿導流板方向還有一定的速度分量，無論是漸縮段還是漸擴段，速度變化都是漸變的，局部阻力要比不帶導流板時的小。而且?guī)Я靼鍟r通風圍阱的中間一段的風速是不變的，斷面風速比較均勻，只需要考慮沿程損失，從計算結果看沿程損失要遠小于局部損失。不帶導流板的通風圍阱中的風速變化往往比較大，所以帶導流板的通風圍阱的動壓損失遠小于不帶導流板時通風圍阱的動壓損失。

2壓力損失與風速的關系

采用相同的模擬方法計算在不同風速情況下(8，10，13 m/s)空氣流經(jīng)圍阱的壓力損失(不包含通風圍阱進口與出口與外界之間的流動變換而導致的壓力損失)。模擬結果見圖4～7。

圖4　無導流板圍阱內(nèi)空氣壓力分布云圖

圖5　有導流板圍阱內(nèi)空氣壓力分布云圖

圖6　無導流板圍阱內(nèi)空氣速度分布云圖

圖7　有導流板圍阱內(nèi)空氣速度分布云圖

通過比較不同風速情況下圍阱內(nèi)氣流組織情況，可以看出，隨著風速的增大，無導流板的圍阱內(nèi)T形梁的迎風面處局部壓力損失顯著增大，背風面的負壓值明顯升高，同時速度分布不均勻性加劇。而在帶導流板的圍阱內(nèi)，隨著風速增大，盡管壓力變化梯度增大，但速度分布仍呈現(xiàn)為比較均勻的狀態(tài)。

以FLUENT模擬得到2種通風圍阱的進、出口壓力及之間的壓力損失結果見表1、2。

整理計算結果，得到圍阱內(nèi)壓力損失與速度的關系見圖8。

對上述壓力損失的模擬結果進行二次多項式擬合，得到沿程流動阻力與風速的關系。

表1　無導流板時通風圍阱壓力損失與速度關系Pa

表2　帶導流板時通風圍阱壓力損失與速度關系Pa

圖8　兩種通風圍阱的壓力損失與風速的關系

擬合結果表明，帶導流板的通風圍阱的壓力損失要遠小于不帶導流板的通風圍阱。通風圍阱在加裝導流板后，減小流道壓力損失的作用顯著，能有效降低流動損失，特別是在風速較大的情況，優(yōu)化效果更為顯著。

3結論

在無導流板的通風圍阱內(nèi)，由于在T形梁結構附近存在滯止現(xiàn)象，導致實際流道變窄，空氣流動阻力較大，且氣流速度呈現(xiàn)出不均勻的衰減。部分空氣高速流動，降低了流動效率，容易產(chǎn)生較大的噪聲。而在帶導流板的通風圍阱內(nèi)，風速呈現(xiàn)為逐漸變化的狀態(tài)，流動阻力小于無導流板的通風圍阱。因此，在通風圍阱中加裝導流板可以起到減小風流動的壓力損失，尤其是對于風速較大的通風圍阱，設置導流板是必要的優(yōu)化方式。

參考文獻

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Numerical Simulation of Air Distribution in Typical Ship Ventilation Wells

MA Ying-hua1, ZHANG Yi-cheng2, WANG Yang2, ZHOU Rong2

(1 Shenyang Military Representative Office of Naval Equipment Department, Shenyang 110031, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:According to the structural forms and features of the two typical ventilation wells, with or without a air deflector, the simulation models are established. The flow characteristics of air in two typical ship's air wells are studied by CFD technology. The numerical results of pressure distribution and velocity field show that the air deflector can smooth the flow in the air channel, is an effective method to optimize ship ventilation wells by reducing pressure loss.

Key words:ventilation wells; CFD; ship ventilation

中圖分類號：U674.7

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0024-03

第一作者簡介：馬英華(1985-)，男，學士，工程師E-mail:yc.zhang@foxmail.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.007

修回日期：2016-01-21

研究方向:裝備質(zhì)量管理