結(jié)構(gòu)風(fēng)管通風(fēng)分析與優(yōu)化研究

姚正鋼， 倪崇本， 姚 雯

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

?

結(jié)構(gòu)風(fēng)管通風(fēng)分析與優(yōu)化研究

姚正鋼1， 倪崇本2， 姚 雯2

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

主要選取海洋工程平臺(tái)內(nèi)機(jī)艙和變壓器間的結(jié)構(gòu)風(fēng)管作為載體，運(yùn)用HyperMesh和Fluent數(shù)值模擬軟件作為工具，對(duì)通風(fēng)管道系統(tǒng)進(jìn)行流場(chǎng)分析，繪制管道阻力曲線和風(fēng)管內(nèi)速度矢量，對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)管進(jìn)行優(yōu)化，并與優(yōu)化前的管道通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，以此來(lái)提升通風(fēng)效率。通過(guò)數(shù)值模擬可以為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)和參考。

計(jì)算流體力學(xué) 氣流組織 數(shù)值模擬 優(yōu)化

0 引言

通風(fēng)管道就是把符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的新鮮空氣輸送到各艙室需要的地點(diǎn)，把艙室內(nèi)局部地區(qū)或設(shè)備散發(fā)的污濁、有害氣體直接排送到艙外或經(jīng)凈化處理后排送到艙外的管道。管道系統(tǒng)包括通風(fēng)除塵管道、空調(diào)管道等，作用是把通風(fēng)進(jìn)氣口、空氣的熱、濕及凈化處理設(shè)備、送(排)氣口、部件和風(fēng)機(jī)連成一個(gè)整體，使之有效運(yùn)轉(zhuǎn)[1]。通風(fēng)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是，在滿足規(guī)范要求和保證使用效果的前提下，合理組織氣體流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)管道阻力最小，使系統(tǒng)制造和日常運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用最優(yōu)。

船舶、海工結(jié)構(gòu)風(fēng)管，是一種附著在船舶結(jié)構(gòu)上的通風(fēng)管道，結(jié)構(gòu)風(fēng)管作為通風(fēng)系統(tǒng)的主通道，不但可以節(jié)省空間，而且加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。結(jié)構(gòu)風(fēng)管大部分為矩形，較方便制作，不同的區(qū)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)風(fēng)管的形狀、厚度有不同的要求，它的作用主要是通風(fēng)換氣。船舶機(jī)艙通風(fēng)的目的是降低機(jī)艙溫度，排除機(jī)艙內(nèi)的油氣和水蒸氣，向機(jī)艙內(nèi)供應(yīng)充足的新鮮空氣，從而保證動(dòng)力裝置的正常工作以及改善機(jī)艙管理人員的工作條件和衛(wèi)生條件。計(jì)算流體力學(xué)(簡(jiǎn)稱CFD),是用電子計(jì)算機(jī)和離散化的數(shù)值方法對(duì)流體力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬和分析的一個(gè)新分支，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)在模擬通風(fēng)分析方面實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，通過(guò)對(duì)船舶的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)的氣流組織形式，提出氣流組織的優(yōu)化方案。對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)管建立流體數(shù)學(xué)模型和設(shè)置邊界條件，通過(guò)模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的分析，為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供支持[2]。

1 風(fēng)管流場(chǎng)建模技術(shù)分析

結(jié)構(gòu)風(fēng)管是通風(fēng)系統(tǒng)的主通道，由風(fēng)機(jī)將外界新鮮空氣送到各艙室內(nèi)，與艙室內(nèi)氣體進(jìn)行交換，排除有毒有害氣體，同時(shí)降低艙室內(nèi)的溫度[3]。模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)氣流組織，首先要建立結(jié)構(gòu)風(fēng)管的三維CAD模型。文中通過(guò)二維CAD圖紙，根據(jù)各種型材、板材之間的相對(duì)布置，在AUTOCAD軟件中直接三維建模(見(jiàn)圖1)，建立了結(jié)構(gòu)風(fēng)管的簡(jiǎn)化三維模型。

圖1 結(jié)構(gòu)風(fēng)管三維模型

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)劃分網(wǎng)格軟件HyperMesh要求對(duì)模型簡(jiǎn)化處理，根據(jù)以往劃分網(wǎng)格的經(jīng)驗(yàn)，先選擇合適的網(wǎng)格類型、尺寸、數(shù)量等，然后對(duì)模型的出入口條件進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)入Fluent模擬計(jì)算軟件格式的計(jì)算模型，下面簡(jiǎn)單介紹劃網(wǎng)格過(guò)程。

1.1 幾何導(dǎo)入、修復(fù)與清理

從已有的機(jī)艙與變壓器間布置圖模型文件中抽取機(jī)艙的結(jié)構(gòu)風(fēng)管模型，對(duì)機(jī)艙風(fēng)管布置圖中多余的模型進(jìn)行刪除，導(dǎo)入到HyperMesh軟件當(dāng)中，在通常情況下我們需要簡(jiǎn)化模型，這樣對(duì)于得到更好的網(wǎng)格質(zhì)量十分重要。

1.2 面網(wǎng)格劃分

HyperMesh軟件的強(qiáng)大功能就是自動(dòng)劃分網(wǎng)格，通過(guò)設(shè)置網(wǎng)格的尺寸、類型能夠快速地在一個(gè)面或者多個(gè)面自動(dòng)生成網(wǎng)格。我們?cè)O(shè)置容差來(lái)檢查出不滿足最小尺寸的網(wǎng)格單元，觀察網(wǎng)格排列是否整齊，不規(guī)則的地方可以重新劃分。網(wǎng)格劃分的思路是由面網(wǎng)格引出體網(wǎng)格，由于面網(wǎng)格的質(zhì)量決定了體網(wǎng)格的質(zhì)量，因此面網(wǎng)格的質(zhì)量決定了總體網(wǎng)格的質(zhì)量。

1.3 體網(wǎng)格劃分

對(duì)于體網(wǎng)格的形式，我們采用的是四面體網(wǎng)格，原因是：對(duì)于復(fù)雜的模型，劃分體網(wǎng)格都是依靠自動(dòng)或半自動(dòng)網(wǎng)格生成器產(chǎn)生，一般的三維域不能總是被分解為規(guī)則的六面體網(wǎng)格或其它類型網(wǎng)格，但它可以隨時(shí)被劃分為規(guī)則的四面體網(wǎng)格；對(duì)于比較大的模型，四面體網(wǎng)格計(jì)算速度最快，減少了計(jì)算時(shí)間且存儲(chǔ)空間顯著；考慮到相等的精確性和時(shí)間等因素，我們選用四面體網(wǎng)格。

1.4 網(wǎng)格區(qū)域的映射性

我們創(chuàng)建實(shí)體單元，可以從節(jié)點(diǎn)、曲面、實(shí)體幾何創(chuàng)建，在實(shí)體網(wǎng)格劃分過(guò)程中，經(jīng)過(guò)編輯的實(shí)體需在某個(gè)方向或者三個(gè)方向上可映射，我們稱這種屬性為可映射性，即要保持網(wǎng)格之間的連續(xù)性。區(qū)域劃分的目的就是使用邊界線和切割線分割實(shí)體，使每一塊實(shí)體都成為可映射形式，在平面的二維網(wǎng)格指引下，生成三維實(shí)體網(wǎng)格，然后由一個(gè)實(shí)體映射到另一個(gè)實(shí)體，最后生成完整的有限元模型。

1.5 單元質(zhì)量和檢查

單元的質(zhì)量決定了計(jì)算結(jié)果的精度，通過(guò)一些指標(biāo)可以清楚地顯示出單元質(zhì)量的好壞。常用的單元質(zhì)量指標(biāo)為偏斜度、長(zhǎng)寬比、翹曲度、雅可比等。對(duì)于劃分的網(wǎng)格，大部分都是連續(xù)的，我們?cè)O(shè)定壁面條件為流場(chǎng)邊界。為了模擬流場(chǎng)的實(shí)際情況，設(shè)置擋板處和小肋板處的網(wǎng)格不連續(xù)，為插入邊界，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格壁面條件圖

2 風(fēng)管數(shù)值模擬仿真與優(yōu)化

結(jié)構(gòu)風(fēng)管的計(jì)算模型導(dǎo)入軟件后，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行處理，即可得到通風(fēng)管道內(nèi)的壓力、速度矢量圖。通過(guò)對(duì)優(yōu)化前后整個(gè)結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)的速度、壓力分析，可以得到管道內(nèi)通風(fēng)量的變化，驗(yàn)證是否滿足各艙室設(shè)計(jì)要求的通風(fēng)量，為管道的通風(fēng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供依據(jù)和參考。

2.1 結(jié)構(gòu)風(fēng)管的模擬仿真

2.1.1 創(chuàng)建計(jì)算模型

通過(guò)提供的機(jī)艙與變壓器間布置圖與三維模型文件(dxf格式)為基礎(chǔ)，從模型文件中抽取機(jī)艙與變壓器間的風(fēng)管模型，導(dǎo)入HyperMesh軟件中，并對(duì)風(fēng)管內(nèi)部的流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 風(fēng)管內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格模型

2.1.2 設(shè)定物理模型

風(fēng)機(jī)風(fēng)量采用的是360 000 m3/h，按照矩形風(fēng)管的空氣流速公式：

V=L/AB

式中：V為流速；L為流量；A、B分別為長(zhǎng)和寬。對(duì)風(fēng)管截面面積估算后，風(fēng)管內(nèi)最大風(fēng)速約為50 m/s，約為0.16馬赫。按歐拉方程分析氣體流動(dòng)中密度變化：

式中：Ma為馬赫數(shù)；p、v分別是密度和速度；若Ma<0.3，密度變化可以忽略，屬于不可壓縮流動(dòng)范疇，視為無(wú)壓縮氣體流動(dòng)。氣體在管道內(nèi)流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)分為層流和湍流，流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡中規(guī)則的光滑曲線為層流，不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的是湍流。根據(jù)雷諾數(shù)公式：

Re=ρvd/η

式中：ρ為空氣密度；v為流速；d為管道等效直徑；η為空氣運(yùn)動(dòng)粘性，取0.133×10-5Pa·s，通過(guò)計(jì)算得出雷諾數(shù)為3.6241×107，臨界雷諾數(shù)一般取值為2 000～4 000，當(dāng)Re遠(yuǎn)大于4 000，認(rèn)為氣流為充分發(fā)展的湍流運(yùn)動(dòng)，而且需要考慮產(chǎn)生的渦漩，我們采用目前廣泛使用的Realizable k-ε湍流模型。

+Gk-Gb+ρ ε-Ym+Sk

式中:Gk和Gb分別是由平均速度和浮力所引起的湍流動(dòng)能k產(chǎn)生項(xiàng)。在船舶與海工結(jié)構(gòu)風(fēng)管中不存在隨時(shí)間變化邊界條件等因素，因此選用定常流模型。

2.1.3 設(shè)置邊界條件

將網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent的輸入格式后，對(duì)風(fēng)管內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析。風(fēng)管內(nèi)流場(chǎng)邊界條件如圖4所示，進(jìn)風(fēng)口為質(zhì)量流入口，出風(fēng)口為壓力出口。根據(jù)設(shè)計(jì)信息，變壓器間排風(fēng)扇靜壓為300 Pa，設(shè)定變壓器間出風(fēng)口與機(jī)艙出風(fēng)口壓差為300 Pa，即

P機(jī)艙-P變壓器間= 300 Pa

圖4 計(jì)算模型邊界條件

設(shè)置風(fēng)管管壁作為壁面，取常規(guī)鍍鋅板的粗糙高度0.2 mm。風(fēng)機(jī)排風(fēng)口為速度邊界，取額定風(fēng)量360 000 m3/h，將速度方向設(shè)定為Z軸正方向流出。進(jìn)氣口邊界壓強(qiáng)為大氣壓，由于邊壁或流量的變化，均勻流在局部地區(qū)遇到干擾，使氣流的大小、方向和分布產(chǎn)生變化，甚至產(chǎn)生渦流，由此產(chǎn)生局部損失[5]。其局部流動(dòng)阻力表述為

式中：ζ為局部阻力系數(shù)；v為局部空氣流速,m/s。根據(jù)廠商提供的阻力系數(shù)；ζ排風(fēng)=2.0，空氣=1.24 kg/m3，擬合后的局部流動(dòng)阻力為

z=1.24·v2

減小局部阻力著眼于防止或推遲氣流與壁面的分離，避免漩渦區(qū)的產(chǎn)生或減小漩渦區(qū)的大小和強(qiáng)度[4]。把計(jì)算的阻力結(jié)果輸入邊界條件，不對(duì)流速或壓力進(jìn)行假定，可以更加真實(shí)地反映實(shí)際流動(dòng)情況?？刂品匠滩捎肧IMPLE方法求解，壓力項(xiàng)采用標(biāo)準(zhǔn)離散格式，動(dòng)量項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)均使用二階迎風(fēng)格式離散。進(jìn)行迭代計(jì)算后流場(chǎng)趨于穩(wěn)定，然后對(duì)流場(chǎng)內(nèi)流速較高的網(wǎng)格，以及速度梯度較大的網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)細(xì)分，以反映流場(chǎng)的細(xì)節(jié)。網(wǎng)格自適應(yīng)后再次進(jìn)行迭代計(jì)算，直至計(jì)算收斂。

2.1.4 管路阻力與實(shí)際風(fēng)量計(jì)算

按照計(jì)算實(shí)際風(fēng)量的需求，計(jì)算管路阻力以繪制管路阻力ptf曲線。共取4個(gè)工況，分別為通風(fēng)量30×104m3/h、32×104m3/h、34×104m3/h和36×104m3/h，對(duì)應(yīng)的管路阻力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 管路阻力計(jì)算結(jié)果

兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口各配一臺(tái)風(fēng)機(jī) (Novenco S31 A-B)，廠家提供的風(fēng)機(jī)曲線如圖5所示。

圖5 Novenco S31 A-B風(fēng)機(jī)曲線

風(fēng)機(jī)葉片安裝角為58°，擬合風(fēng)機(jī)曲線和管路阻力曲線后得出單臺(tái)風(fēng)機(jī)實(shí)際氣體流量應(yīng)為qv= 47.4 m3/s，管路阻力ptf = 1 820 Pa，如圖6所示。

圖6 管路阻力與實(shí)際風(fēng)量計(jì)算

運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)就是性能曲線和阻力曲線的交點(diǎn)，因?yàn)檫@一點(diǎn)上的動(dòng)力矩和阻力矩相等，可以使風(fēng)機(jī)可持續(xù)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。如果阻力大于額定動(dòng)力，則風(fēng)機(jī)功率偏小，導(dǎo)致帶不動(dòng)或超載運(yùn)行而燒壞電機(jī)，如果阻力小于額定動(dòng)力，則風(fēng)機(jī)輕載運(yùn)行，浪費(fèi)了一部分功率。通過(guò)圖6我們可以看出，風(fēng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)點(diǎn)就是流量為qv= 47.4 m3/s所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，折算后機(jī)艙與變壓器間實(shí)際通風(fēng)量約為341 280 m3/h。

2.1.5 風(fēng)量分配計(jì)算

按照實(shí)際通風(fēng)量設(shè)置流場(chǎng)邊界條件，利用Fluent軟件計(jì)算機(jī)艙與變壓器間各出風(fēng)口的送風(fēng)量分配，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 機(jī)艙與變壓器間送風(fēng)量分配

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，大約僅10%的通風(fēng)量分配到變壓器間。對(duì)風(fēng)管內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行分析，風(fēng)管內(nèi)壓力分布如圖7所示。圖7中右側(cè)風(fēng)管的直角彎處壓力損失較大(見(jiàn)畫(huà)圈處)。

圖7 風(fēng)管內(nèi)壓力分布

圖8(a)為結(jié)構(gòu)風(fēng)管與變壓器間風(fēng)管連接處速度矢量，顯示大部分氣體直接從出風(fēng)口進(jìn)入機(jī)艙，僅少量氣體進(jìn)入變壓器間風(fēng)管?？梢钥紤]加裝導(dǎo)流板以改善變壓器間通風(fēng)狀況。圖8(b)為變壓器間風(fēng)管內(nèi)速度矢量圖，顯示變壓器間風(fēng)管中間段內(nèi)基本無(wú)氣體流動(dòng)，是左右兩側(cè)風(fēng)機(jī)通風(fēng)的分界點(diǎn)。該位置靠近左側(cè)風(fēng)機(jī)，右側(cè)風(fēng)機(jī)送風(fēng)路程較長(zhǎng)，沿程損耗較大。

圖8 結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)速度矢量圖

速度矢量圖可以直觀地表示速度的大小、方向和渦流情況，模擬了氣體在管道中的流動(dòng)狀態(tài)。網(wǎng)格單元是最小的分析實(shí)體，在網(wǎng)格的中心用剪頭表示矢量，用顏色和長(zhǎng)度表示大小。因此選用速度矢量圖來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)氣流組織進(jìn)行分析。通過(guò)機(jī)艙與變壓器間模型和風(fēng)機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行通風(fēng)流場(chǎng)的計(jì)算與分析，得出機(jī)艙與變壓器間實(shí)際通風(fēng)量計(jì)算結(jié)果為341 280 m3/h，其中變壓器間30 498 m3/h，機(jī)艙310 782 m3/h。我們分析認(rèn)為變壓器間與機(jī)艙通風(fēng)量分配不均問(wèn)題較為突出，可采取的改進(jìn)措施如下：

(1) 加裝導(dǎo)流板，增加變壓器間通風(fēng)量[6]；

(2) 選用其他型號(hào)的變壓器間排風(fēng)扇，加大機(jī)艙與變壓器間壓差(當(dāng)前為300 Pa)；

(3) 縮短變壓器間送風(fēng)長(zhǎng)度，可考慮將直角彎改為兩個(gè)45°彎、風(fēng)口位置前移縮短與風(fēng)機(jī)距離。

2.2 結(jié)構(gòu)風(fēng)管的優(yōu)化

2.2.1 安裝導(dǎo)流板

導(dǎo)流板設(shè)計(jì)是為了減小空氣阻力?？諝饬鲃?dòng)的阻力有兩種，一種是因?yàn)榭諝獗旧淼恼硿耘c管壁的摩擦而產(chǎn)生的阻力，稱為摩擦阻力；另一種是空氣流經(jīng)管件及擋板處，因?yàn)榱魉俚拇笮『头较蜃兓约爱a(chǎn)生渦流而產(chǎn)生的阻力，為局部阻力。如圖9所示，在擋板處氣流速度太大，擋板區(qū)域速度達(dá)到了40 m/s，而其它區(qū)域?yàn)?0 m/s，根據(jù)管道阻力公式，為了減小摩擦阻力，我們需要降低氣體的流速。

式中：l為局部阻力當(dāng)量長(zhǎng)度，m；ζ為局部阻力系數(shù)；λ為摩擦系數(shù)；Δpf為阻力損失，Pa。

在常壓下，氣體管道的流速一般為10 m/s～30 m/s，流速越大，阻力越大。另一方面，從圖9可以看出，在擋板處有小渦漩，產(chǎn)生了繞流，對(duì)氣體的通過(guò)產(chǎn)生了阻力，需要消除。

圖9 結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)繞流圖

通過(guò)上述分析，為了減小風(fēng)管阻力，需要進(jìn)行導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)，以現(xiàn)有的模型為基礎(chǔ)，根據(jù)先前流場(chǎng)分析結(jié)果，提出機(jī)艙與變壓器間的風(fēng)管內(nèi)導(dǎo)流板安裝方案(見(jiàn)圖10)。風(fēng)管內(nèi)共安裝四塊導(dǎo)流板，導(dǎo)流板A位于進(jìn)風(fēng)口下方遮住突出的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流板B位于結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)遮住小肋骨，導(dǎo)流板C、D分別位于左右節(jié)流孔下方遮住凹陷的結(jié)構(gòu)。

圖10 導(dǎo)流板安裝方案圖

2.2.2 優(yōu)化后模擬仿真

對(duì)安裝導(dǎo)流板后風(fēng)管內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行建模，重新用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格，輸入Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)分析。風(fēng)管內(nèi)流場(chǎng)邊界條件設(shè)置進(jìn)風(fēng)口為質(zhì)量流入口，出風(fēng)口為壓力出口，設(shè)定變壓器間出風(fēng)口與機(jī)艙出風(fēng)口壓差為300 Pa。

2.2.3 優(yōu)化后效果分析

通過(guò)優(yōu)化前后的速度矢量對(duì)比，得出通風(fēng)量的變化?？芍?，優(yōu)化后減小了管道的阻力，有更多新鮮的空氣進(jìn)入各個(gè)艙室，且優(yōu)化后的系統(tǒng)可以合理地分配各出風(fēng)口的風(fēng)量，使管道內(nèi)氣體分布更合理。對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，繪制管路阻力ptf曲線，并與未安裝導(dǎo)流板的管路阻力進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 管路阻力對(duì)比

擬合風(fēng)機(jī)曲線和管路阻力曲線后對(duì)比導(dǎo)流板的效果，未裝導(dǎo)流板時(shí)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)氣體流量估算值為qv0= 47.4 m3/s，管路阻力ptf0= 1 820 Pa；安裝導(dǎo)流板后，單臺(tái)風(fēng)機(jī)氣體流量估算值qv= 54.0 m3/s，管路阻力ptf = 1 707 Pa，如圖11所示。根據(jù)分析結(jié)果，在不改變其他配置情況下，安裝導(dǎo)流板大約可以提升約1/8的風(fēng)量，折算安裝導(dǎo)流板后機(jī)艙與變壓器間風(fēng)量預(yù)計(jì)能達(dá)到388 000 m3/h。

圖11 風(fēng)量與管路阻力對(duì)比

同樣通風(fēng)量的工況下(360 000 m3/h)風(fēng)管內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比，未裝導(dǎo)流板風(fēng)管內(nèi)局部最大風(fēng)速為62.2 m/s，安裝導(dǎo)流板后風(fēng)管內(nèi)局部最大風(fēng)速將為52.0 m/s，說(shuō)明導(dǎo)流板可以降低最大風(fēng)速以減少管路內(nèi)流動(dòng)阻力。圖12、圖13為導(dǎo)流板前后風(fēng)管內(nèi)速度矢量對(duì)比，從圖上可以看出，導(dǎo)流板對(duì)通風(fēng)口下方擋板處氣流改善效果明顯。

圖12 風(fēng)管內(nèi)速度矢量分布對(duì)比

圖13 擋板處速度矢量分布對(duì)比

通過(guò)機(jī)艙與變壓器間風(fēng)管模型和風(fēng)機(jī)參數(shù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行導(dǎo)流板方案設(shè)計(jì)與分析。CFD對(duì)比分析表明，安裝導(dǎo)流板大約可以提升約1/8的風(fēng)量，安裝導(dǎo)流板后機(jī)艙與變壓器間風(fēng)量估算值為388 000 m3/h，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)管的優(yōu)化，減小了管道內(nèi)的阻力，使出風(fēng)量增加，管道內(nèi)的氣流組織分布更加合理、均勻、穩(wěn)定，同時(shí)也能夠降低船體的震動(dòng)和噪音。

對(duì)于該方案的計(jì)算與優(yōu)化，得到船廠與船東的認(rèn)可，并已采用該方案。

3 結(jié)論

本文采用CFD技術(shù)對(duì)船舶與海工產(chǎn)品的機(jī)艙、變壓器間的結(jié)構(gòu)風(fēng)管進(jìn)行通風(fēng)計(jì)算，本文主要針對(duì)船舶空通風(fēng)專業(yè)進(jìn)行CFD模型的研究與選取，風(fēng)管計(jì)算工作的網(wǎng)格可靠性驗(yàn)證，管路性能與風(fēng)機(jī)性能的匹配，風(fēng)管優(yōu)化方案設(shè)計(jì)等進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)通風(fēng)管道系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，借鑒有限體積法，運(yùn)動(dòng)代數(shù)法生成矩形風(fēng)管計(jì)算的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，建立控制方程并

[][]進(jìn)行離散，對(duì)k-ε湍流求解直至計(jì)算結(jié)果收斂，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)風(fēng)管質(zhì)量流分析，得到了結(jié)構(gòu)風(fēng)管通風(fēng)的優(yōu)化方案，取得了階段性的進(jìn)展，為后續(xù)船舶與海工平臺(tái)艙室通風(fēng)的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)性的參考和技術(shù)支持。

[1] 金小闖，蔣合葉，黃林峰.船舶艙室通風(fēng)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)電信息,2013(24):154-155.

[2] 倪崇本，朱航，丁金鴻,等.LNG船機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)氣流組織的數(shù)值分析[J].船舶工程,2014(3):57-61.

[3] 郭昂，封海寶，王馳明.某海監(jiān)船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方案[J].江蘇船舶，2014(3):19-21.

[4] 中國(guó)船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)使用手冊(cè)-輪機(jī)分冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2013.

[5] 羅繼杰，張蔚東.《通風(fēng)管道沿程阻力計(jì)算選用表》編制及設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].暖通空調(diào),2009(9)：97-99.

[6] 張衛(wèi)東，王世忠，王新海.船舶艙室空調(diào)送風(fēng)優(yōu)化技術(shù)[J].艦船科學(xué)技術(shù),2011, 33(2)：121-125.

Research on Air Distribution and Optimization of Structural Air Duct

YAO Zheng-gang1， NI Chong-ben2， YAO Wen2

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China;2.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

The marine platform structural air duct between engine room and transformer room was mainly selected as a carrier, and the simulation software of HyperMesh and Fluent as a tool was used to analyze ventilation duct system flow field. Getting the pipe resistance curve and wind tube velocity vector. And then, the structure of the wind tube was optimized and ventilation systems were compared in order to improve the ventilation efficiency. It can provide analysis of the numerical simulation for the design of the ventilation system.

CFD Air distribution Numerical simulation Optimization

姚正鋼(1987-)，男，工程師，研究方向?yàn)榇棒秆b設(shè)計(jì)應(yīng)用。

P75

A