某海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值分析

周榮輝， 周 楠， 吳 韓

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

在海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)管路設(shè)計(jì)中，通風(fēng)量的確定及風(fēng)量的分配往往依靠經(jīng)驗(yàn)，沒有成形的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范可以參考,不同的設(shè)計(jì)師會(huì)形成不同的設(shè)計(jì)方案,即使同一位設(shè)計(jì)師也會(huì)有不同的方案，再加上外界因素的影響，策劃方案會(huì)更多，而且無(wú)法對(duì)比分析哪種方案更適合該型海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)量的需求。由于具體的氣流組織分布無(wú)從得知，實(shí)際的通風(fēng)布局分配的影響效果往往需要在相關(guān)系統(tǒng)完整性報(bào)驗(yàn)合格以及船舶所有人和船檢認(rèn)可后,進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)物理通風(fēng)檢查試驗(yàn)，才能給出結(jié)果數(shù)據(jù)。

在目前的設(shè)計(jì)流程中，通常認(rèn)為通風(fēng)系統(tǒng)各送風(fēng)口的風(fēng)量是均勻分布的；而在實(shí)際的通風(fēng)系統(tǒng)中，受送風(fēng)口位置、風(fēng)管零部件布置等因素的影響，各送風(fēng)口的風(fēng)量可能存在不均勻分布的狀況。因此，送風(fēng)口處氣流分布的均勻性問題便成為值得研究的課題方向。

利用數(shù)值仿真的方法，在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，趕在機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)開工之前，運(yùn)用CFD手段分析機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)管路系統(tǒng)的氣流組織布局，為海洋平臺(tái)機(jī)艙總布置的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)并提供詳實(shí)的理論依據(jù)。

1 物理模型網(wǎng)格化

機(jī)艙是海洋平臺(tái)的心臟，其間交叉密布各種管路、機(jī)械及電力設(shè)備，機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)的作用是提供主輔機(jī)、鍋爐及其他設(shè)備燃燒和散熱時(shí)所需的空氣量，同時(shí)滿足機(jī)艙散熱和排廢氣要求。為保證機(jī)艙內(nèi)良好的通風(fēng)工作環(huán)境[1]，必須對(duì)機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計(jì)。

海洋工程企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門負(fù)責(zé)提供機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)三維物理模型，但其直接提供的模型是為生產(chǎn)設(shè)計(jì)服務(wù)的，不符合網(wǎng)格計(jì)算的要求，三維物理模型必須修改及簡(jiǎn)化為計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD支持的模式，其簡(jiǎn)化原則包括：

(1) 外型結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜而對(duì)仿真結(jié)果影響甚微的不規(guī)則環(huán)節(jié)，將這部分管路全部轉(zhuǎn)換為規(guī)則矩形風(fēng)管模型。

(2) 散熱對(duì)流場(chǎng)影響較小的局部管線及附件可忽略不計(jì)。

(3) 風(fēng)管(含包風(fēng)管與風(fēng)管)、風(fēng)管與異徑三通等需要附件相連接的部分和格柵開口連接處均不能有斷裂部分，必須緊密相連，保證整個(gè)通風(fēng)管路系統(tǒng)是一個(gè)有機(jī)整體。

(4) 對(duì)管路厚度做簡(jiǎn)化處理。計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分要求滿足光滑條件，在此前提下，將空氣運(yùn)動(dòng)黏性忽略不計(jì)，對(duì)壁面作無(wú)厚度光滑壁面處理，即管路無(wú)厚度且絕對(duì)光滑[2]。

圖1 風(fēng)管系統(tǒng)簡(jiǎn)化三維模型

(5) 簡(jiǎn)化管路的原則。雖然該海洋平臺(tái)通風(fēng)管路系統(tǒng)的風(fēng)管尺寸大(滿足大通風(fēng)需要)，且布置在機(jī)艙頂部，但并不對(duì)中下層流場(chǎng)組織布局產(chǎn)生影響，所以對(duì)物理模型中的矩形風(fēng)管也可進(jìn)行部分簡(jiǎn)化，對(duì)進(jìn)風(fēng)裝置與排風(fēng)格柵的連接附件作光滑處理，對(duì)含三通、異徑及彎頭等附件連接的凹凸處亦作光滑處理。

最終優(yōu)化的通風(fēng)管路三維模型如圖1所示。

計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分是風(fēng)管系統(tǒng)數(shù)值分析前處理中的最主要工作，計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分的質(zhì)量將對(duì)數(shù)值分析結(jié)果的精確性產(chǎn)生重大影響。對(duì)簡(jiǎn)化后的海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)三維物理模型進(jìn)行計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分，需花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，且節(jié)點(diǎn)設(shè)置的精度和網(wǎng)格數(shù)會(huì)關(guān)系到代數(shù)方程的穩(wěn)定性和收斂性，也會(huì)對(duì)數(shù)值分析結(jié)果產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)的影響。

在數(shù)值仿真時(shí)，結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)勢(shì)是：節(jié)點(diǎn)之間關(guān)系明確，有序排列，計(jì)算比較穩(wěn)定，并具有相對(duì)較快的收斂速度，可以節(jié)省內(nèi)部計(jì)算和擬合的時(shí)間。由于該海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)管路采用規(guī)則化的矩形風(fēng)管，因此計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，運(yùn)用代數(shù)生成法生成規(guī)則化的矩形風(fēng)管內(nèi)部區(qū)域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

在通風(fēng)管路平緩的風(fēng)管計(jì)算模型區(qū)域，將網(wǎng)格布置得稀疏一些；在通風(fēng)管路變化比較大的風(fēng)管連接區(qū)域或者轉(zhuǎn)角區(qū)域，網(wǎng)格則需布置得緊湊一些?？傮w上要求劃分好的計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格能自動(dòng)擬合模型中速度場(chǎng)的細(xì)微變化，能夠精確反映風(fēng)管管道中氣流組織的流動(dòng)狀態(tài)。

圖2 送風(fēng)口流場(chǎng)密集處網(wǎng)格劃分

圖3 三通部位網(wǎng)格劃分

代數(shù)法生成的主要是四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，通過(guò)在邊界處建立映射關(guān)系，設(shè)置每個(gè)邊界的節(jié)點(diǎn)數(shù)來(lái)生成網(wǎng)格。管壁邊界、送風(fēng)口處流場(chǎng)比較密集，應(yīng)將其網(wǎng)格劃分得更密集一些，通過(guò)設(shè)置系數(shù)的值(取3，平常取1)，更好地?cái)M合速度場(chǎng)的氣流組織，如圖2所示。

風(fēng)管三通部位的網(wǎng)格俯視圖如圖3所示，體網(wǎng)格按高度方向投影。

在彎管接頭外側(cè)部分的網(wǎng)格生成過(guò)程中，會(huì)發(fā)現(xiàn)彎管外側(cè)有明顯的撕裂現(xiàn)象，產(chǎn)生開口，針對(duì)此種情況，有研究發(fā)現(xiàn)：FACE會(huì)與相鄰最近的SURFACE自動(dòng)建立映射關(guān)系，但是由于其彎管接頭外側(cè)距離SURFACE較遠(yuǎn)，導(dǎo)致映射關(guān)系錯(cuò)亂，所以產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。需要對(duì)彎管外側(cè)曲線進(jìn)行局部處理，并將此處的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)設(shè)置得密集一些，再重新生成網(wǎng)格，會(huì)發(fā)現(xiàn)撕裂現(xiàn)象消失。

通過(guò)對(duì)比分析和反復(fù)驗(yàn)證，當(dāng)海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)管路的總網(wǎng)格數(shù)達(dá)到68萬(wàn)時(shí)，滿足通風(fēng)管路內(nèi)流場(chǎng)物理量(即速度量)的計(jì)算精度要求。當(dāng)四面體網(wǎng)格不存在高度扭曲(即扭曲率>90%)時(shí)，計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格基本都是規(guī)則化的四面體網(wǎng)格，這時(shí)認(rèn)為通風(fēng)管路系統(tǒng)的計(jì)算區(qū)域速度流場(chǎng)網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足計(jì)算精度要求。網(wǎng)格扭曲率見表1。

表1 網(wǎng)格扭曲率統(tǒng)計(jì)

2 設(shè)定通風(fēng)系統(tǒng)的邊界條件

2.1 物理模型設(shè)定

機(jī)械風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)量為8×104m3/h，經(jīng)計(jì)算后，機(jī)艙風(fēng)管截面內(nèi)氣流流速最大約為30 m/s，遠(yuǎn)不足0.3 Ma，艙內(nèi)送風(fēng)速度及空氣流速比較小，相應(yīng)的密度變化可以忽略不計(jì)，因此可以視為無(wú)壓縮氣體流動(dòng)。

風(fēng)管內(nèi)氣流雷諾數(shù)為

(1)

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)黏度，取0.133×10-5Pa·s。

得出風(fēng)管內(nèi)雷諾數(shù)Re約為2.047×107。以Re=2 320作為流態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界雷諾數(shù)，對(duì)于海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)管路氣流流動(dòng)，其雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù)，視為湍流模型。認(rèn)定海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)管內(nèi)氣流組織為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)，再考慮流場(chǎng)渦度，所以選擇Realizablek-ε湍流模型。

在實(shí)際機(jī)艙管路通風(fēng)模擬過(guò)程中，風(fēng)管通風(fēng)流場(chǎng)中不存在隨時(shí)間變化的條件因素，理論上，當(dāng)通風(fēng)氣流經(jīng)由均勻布置的18個(gè)格柵口，以設(shè)定的通風(fēng)速度送入整個(gè)機(jī)艙環(huán)境區(qū)域內(nèi)，剛進(jìn)入的氣流組織與原有管路內(nèi)的氣流組織經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的擬合后，整個(gè)通風(fēng)管路內(nèi)的氣流組織處于一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的狀況[3]，符合定常流模型的特征，所以對(duì)該型海洋平臺(tái)機(jī)艙管路通風(fēng)系統(tǒng)選用定常流模型來(lái)研究。

假設(shè)艙室內(nèi)空氣符合要求，壓力對(duì)氣流組織密度的影響忽略不計(jì)。機(jī)艙通風(fēng)管路內(nèi)必須維持正壓，機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境空間密閉，暫不考慮通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)等意外狀況。

2.2 邊界條件設(shè)置

風(fēng)管管壁作為壁面條件，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口為質(zhì)量流入口，分別按照風(fēng)量8×104m3/h和4×104m3/h換算：當(dāng)風(fēng)量為8×104m3/h時(shí)，得出相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流為27.222 5 kg/s；當(dāng)風(fēng)量為4×104m3/h時(shí)，得出相對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流為13.611 25 kg/s。

格柵窗作為通風(fēng)出口，該型格柵窗局部阻力系數(shù)ζ=0.9，空氣密度為1.225 kg/m3，擬合后格柵的局部流動(dòng)阻力為0.551ω2，將局部流動(dòng)阻力輸入邊界條件，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。風(fēng)管模型邊界設(shè)置如圖4所示。

圖4 風(fēng)管模型設(shè)置邊界圖

3 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬仿真分析

3.1 通風(fēng)系統(tǒng)數(shù)值模擬計(jì)算與網(wǎng)格自適應(yīng)

采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE算法來(lái)進(jìn)行壓力-速度耦合控制方程的求解方法，使用一階迎風(fēng)格式對(duì)控制方程進(jìn)行離散。

設(shè)置殘差不低于0.01，對(duì)于流場(chǎng)較復(fù)雜的情況，其殘差設(shè)置要稍大些，計(jì)算收斂的精度可稍小一些；而對(duì)于簡(jiǎn)單的流場(chǎng)情況，精度可設(shè)置得高些。實(shí)際操作中，殘差可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)確定，假設(shè)在計(jì)算步數(shù)無(wú)要求的情況下，將殘差作為收斂精度的分界[4]，計(jì)算要達(dá)到設(shè)定的殘差要求才能終止。在設(shè)置殘差時(shí)會(huì)設(shè)置得很小，希望計(jì)算結(jié)果有較高的精度，但此時(shí)求解本身卻無(wú)法達(dá)到設(shè)置的精度，這種情形下，變量的殘差曲線在多次擬合迭代后會(huì)達(dá)到平穩(wěn)，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，迭代200步后結(jié)果收斂。

圖5和圖6為風(fēng)管三通部位網(wǎng)格自適應(yīng)前后的流場(chǎng)速度分布，可見網(wǎng)格自適應(yīng)后，三通處流速較高的部位網(wǎng)格細(xì)化后更能反映流場(chǎng)細(xì)節(jié)。計(jì)算殘差曲線如圖7所示。

圖5 三通部位網(wǎng)格自適應(yīng)前流場(chǎng)速度分布 圖6 三通部位網(wǎng)格自適應(yīng)后流場(chǎng)速度分布

圖7 計(jì)算殘差曲線

圖8 風(fēng)管內(nèi)速度矢量圖

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

速度矢量圖能很好地表達(dá)流體的速度大小以及流動(dòng)方向，所以采用速度矢量圖來(lái)研究該型海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)管路系統(tǒng)[5]，可選擇顯示哪個(gè)橫截面或者表面的速度矢量，也可以選擇顯示哪種速度(絕對(duì)速度或相對(duì)速度)。

圖8選取1個(gè)截面，用速度矢量圖描述該型海洋平臺(tái)機(jī)艙矩形通風(fēng)管路內(nèi)整體的氣流組織分布情況。

下面選取幾個(gè)典型格柵口，用速度矢量圖描述氣流組織，格柵8速度矢量圖如圖9所示，格柵11速度矢量圖如圖10所示。

圖9 格柵8速度矢量圖 圖10 格柵11速度矢量圖

3.3 送風(fēng)量比較分析

對(duì)海洋平臺(tái)機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)口與各送風(fēng)格柵的質(zhì)量流進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將質(zhì)量流換算成通風(fēng)量。通過(guò)觀察3.2節(jié)的速度矢量圖，可以看出18個(gè)通風(fēng)格柵基本上能夠做到送風(fēng)均勻。風(fēng)機(jī)風(fēng)量為8×104m3/h時(shí)，每個(gè)格柵的送風(fēng)量見表2；風(fēng)機(jī)風(fēng)量為4×104m3/h時(shí)，每個(gè)格柵送風(fēng)量見表3。表中正數(shù)代表進(jìn)風(fēng)，負(fù)數(shù)代表送風(fēng)。

從換算結(jié)果來(lái)看：當(dāng)風(fēng)機(jī)在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)作時(shí)，機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)各送風(fēng)口風(fēng)量較為均勻；而當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量減半時(shí)，11號(hào)格柵風(fēng)量顯著下降，原因在于11號(hào)格柵前的風(fēng)管連續(xù)布置了3個(gè)90°彎頭，對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生不利影響。在該船機(jī)艙的進(jìn)一步設(shè)計(jì)建造工作中，可考慮對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管布置進(jìn)行調(diào)整，對(duì)3個(gè)90°彎頭簡(jiǎn)化改善設(shè)計(jì)，以滿足各種狀況下均勻送風(fēng)的需求。

根據(jù)原始計(jì)算數(shù)據(jù)，當(dāng)風(fēng)機(jī)風(fēng)量達(dá)到最大值8×104m3/h時(shí)，風(fēng)管內(nèi)最大風(fēng)速不超過(guò)12 m/s，經(jīng)過(guò)CFD模擬分析后發(fā)現(xiàn)：實(shí)際格柵的最大風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到4 648 m3/h,即12.9 m/s，超過(guò)初始標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)最大值12 m/s，超出部分為0.9 m/s,所以機(jī)艙通風(fēng)管路在送風(fēng)時(shí)，可以不按照8×104m3/h的要求送足。

當(dāng)通風(fēng)量為8×104m3/h時(shí)，相應(yīng)的質(zhì)量流進(jìn)入為27.222 5 kg/s，18個(gè)格柵流出的質(zhì)量流匯總為27.219 171 6 kg/s，流場(chǎng)應(yīng)滿足質(zhì)量守恒，得出在通風(fēng)過(guò)程中0.003 328 4 kg/s的質(zhì)量流由于風(fēng)管阻力被消耗。

當(dāng)通風(fēng)量為4×104m3/h時(shí)，相應(yīng)的質(zhì)量流進(jìn)入為13.611 25 kg/s，18個(gè)格柵流出的質(zhì)量流匯總為13.592 648 26 kg/s，流場(chǎng)應(yīng)滿足質(zhì)量守恒，得出在通風(fēng)過(guò)程中0.008 601 74 kg/s的質(zhì)量流由于風(fēng)管阻力被消耗。

表2 風(fēng)機(jī)8×104 m3/h工況各送風(fēng)格柵風(fēng)量

表3 風(fēng)機(jī)4×104 m3/h工況各送風(fēng)格柵風(fēng)量

4 結(jié) 論

CFD成熟的前后處理支持模式，結(jié)合快速的建模速度和可視化圖像顯示，完全優(yōu)勝于實(shí)際三維模型制造和傳統(tǒng)力學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)，可以模擬任何復(fù)雜的物理過(guò)程。受實(shí)際條件的限制，不可能在船舶通風(fēng)系統(tǒng)鋪設(shè)完成后，通過(guò)物理實(shí)地通風(fēng)試驗(yàn)來(lái)確定各個(gè)格柵口的具體通風(fēng)量，數(shù)值試驗(yàn)卻能夠通過(guò)設(shè)置不同的邊界風(fēng)速輸入條件進(jìn)行仿真，獲得檢驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

首次在通風(fēng)系統(tǒng)流場(chǎng)分析研究中采用通風(fēng)出口質(zhì)量流條件，不需要事先假定流速或壓力，較以往流場(chǎng)分析中采用的壓力邊界、速度邊界等常規(guī)條件，更加貼合實(shí)際物理模型需要，準(zhǔn)確度更高。與傳統(tǒng)數(shù)值分析研究方法相比，本文所采用的方法，不需要進(jìn)行風(fēng)量或壓力假定，計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，可以計(jì)算多種工況的通風(fēng)情況，更具有靈活性。

通風(fēng)從格柵出來(lái)流向整個(gè)艙室，在整個(gè)艙室的布局上也會(huì)存在風(fēng)速不均勻分布的情況。如何建立整個(gè)艙室的通風(fēng)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析，如何根據(jù)分析結(jié)果綜合考慮人體舒適度以改善格柵或布風(fēng)器的整體布局也是未來(lái)的發(fā)展方向。目前網(wǎng)格技術(shù)發(fā)展迅速，動(dòng)網(wǎng)格、多重網(wǎng)格法等新型動(dòng)網(wǎng)格方法紛紛涌現(xiàn)，在目前已有的靜態(tài)網(wǎng)格模型上又有了很大的發(fā)展。運(yùn)用新型動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)有望進(jìn)一步提高CFD運(yùn)算效率與計(jì)算精度。