艦船用高溫軸流風機冷卻數(shù)值模擬

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

對于相對封閉的艦船內(nèi)部艙室環(huán)境來說，在火災發(fā)生的時候，能否及時地將煙氣排走，將直接影響到傷員救援效率和滅火系統(tǒng)投入時機。目前艦船用排煙風機設備規(guī)范尚未頒布，在GB 50016-2014《建筑設計防火規(guī)范》[1]中有“排煙風機應能在280 ℃的環(huán)境條件下連續(xù)工作不少于30 min”的要求，且允許30 min后失效并不可恢復。在艦船消防排煙要求下，對排煙風機在高溫下的使用時間提出了更高要求，然而風機電機如果長期在高溫環(huán)境下運轉(zhuǎn)，電機功率輸出變小，電機運行效率降低，嚴重時會燒毀電機[2-3]。因此需要在高溫環(huán)境下通過冷卻設計來提高風機電機的壽命和可靠性。采用數(shù)值傳熱學和計算流體動力學對某高溫通風機進行數(shù)值模擬[4]，計算電機在不同工況下的溫度，選擇合理的設計方案，保證風機能在高溫排煙工作條件下安全可靠工作。

1 物理仿真模型

1.1 風機模型

軸流式排煙風機設計形式有電機與主氣流隔離式和一體式兩種[5-6]。為了能延長電機在高溫條件下的使用時間，風機模型設計形式采用電機與主氣流隔離式設計，結(jié)構(gòu)見圖1。其主要由電機、葉輪、機殼、電機艙殼等部件組成，其中電機通過法蘭與圓筒形機殼聯(lián)接在一起，葉輪與電動機直聯(lián)，葉輪位于機殼內(nèi)部，電機艙與高溫氣流隔離。當葉輪旋轉(zhuǎn)時，高溫氣流從進口軸向進入機殼和電機艙殼間的風道，流經(jīng)葉輪加壓后排出風機。電機艙殼均設計隔熱層，將電機與高溫氣流隔開[7-8]。

1.2 冷卻方案一

電機艙前端設計冷卻風道設置為冷卻風進風口，冷卻風經(jīng)過電機冷卻后，從機軸處設計的冷卻風道排出，見圖2。依據(jù)設計尺寸建立三維幾何模型，見圖3。為了計算方便同時提高網(wǎng)格質(zhì)量，采用CFD軟件對風機模型的網(wǎng)格劃分，并對風機模型進行了簡化，省略機殼、葉輪等部件，模型中保留電機殼、電機軸、電機艙及冷卻進風道[9-10]。網(wǎng)格劃分均采用多面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約120萬。

圖3 冷卻方案一模型及其網(wǎng)格劃分

1.3 冷卻方案二

電機艙后端設置冷卻風道，作為冷卻風進風口，冷卻風經(jīng)過電機冷卻后直接從電機艙前端排出，不單獨設計冷卻風排風道，見圖4。網(wǎng)格劃分見圖5。

圖4 冷卻方案二

圖5 冷卻方案二模型及其網(wǎng)格劃分

2 計算方法與邊界條件

2.1 計算方法

采用 RNGk-ε湍流模型，相比standardk rd krdk-ε模型，RNGk-ε湍流模型對于空間內(nèi)流場模擬中的非等溫、混合對流有更高的精度[11]。另外，雖然使用零方程模型進行計算能夠減少計算量[12]，但其衰減速度相比于RNGk-ε模型更快，不能準確反映室內(nèi)流場變化。采用隱式SIMPLEC算法耦合壓力和速度場收斂標準，為同時達到質(zhì)量和熱平衡，空氣密度采用Boussinesq假設。

2.2 邊界條件

方案一和方案二邊界條件的設置見表1。方案一：冷卻風溫65 ℃，風速設置為10 m/s。根據(jù)冷卻風道流通面積(0.018 768 m2)，冷卻風量為718.8 m3/h；方案二：冷卻風溫度65 ℃，風速分別設置為12 m/s和25 m/s，根據(jù)冷卻風道流通面積(0.018 768 m2)，冷卻風量為862.6 m3/h和1 854.7 m3/h。

表1 邊界條件

3 仿真結(jié)果分析

3.1 方案一

冷卻風從電機艙前端的風道進入電機艙內(nèi)，與電機對流換熱后從電機艙后部的出口流出。圖6顯示電機艙內(nèi)冷卻風的路徑和走向。圖7為電機各部分溫度隨時間變化關系。

圖6 電機艙內(nèi)流場

圖7 電機各部分溫度隨時間變化關系

電機艙前端的風道冷卻風的進口溫度338 K(65 ℃)，在電機艙內(nèi)的平均溫度是346.2 K(73.2 ℃)，溫升8.2℃。電機轉(zhuǎn)子的初始溫度設置為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到405.3 K(132.3 ℃)，溫升32.3 ℃。電機殼溫度的初始溫度同樣為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到399.2 K(126.2 ℃)，溫升26.2 ℃。選取第5 min、第15 min、第20 min和第30 min 4個時間點的軸截面溫度分布和電機表面溫度分布。見圖8～13。其中圖12為第30 min的風機軸截面溫度分布情況，圖13為第30 min時電機殼表面溫度分布情況，可以看到此時電機殼表面最高溫度已達到400 K(127 ℃)，且溫度較高的區(qū)域位于電機右半部分。

圖8 軸截面溫度分布情況(5 min)

圖9 電機表面溫度分布情況(5 min)

圖10 軸截面溫度分布情況(15 min)

圖11 電機表面溫度分布情況(15 min)

圖12 軸截面溫度分布情況(30 min)

圖13 電機表面溫度分布情況(30 min)

3.2 方案二

1)采用冷卻風流速為12 m/s條件下仿真結(jié)果。圖14表明電機艙內(nèi)冷卻風的路徑和走向。冷卻風從靠近軸端的風道進入電機艙內(nèi)，與電機對流換熱后從左側(cè)的出口流出，而且在出口處沒有出現(xiàn)回流。因此冷卻風入口位置比方案一更合理。圖15為電機各部分溫度隨時間變化關系圖。冷卻風的進口溫度338 K(65 ℃)，在電機艙內(nèi)的平均溫度是345.5 K(72.5 ℃)，溫升7.5 ℃。電機轉(zhuǎn)子的初始溫度設置為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到396.9 K(123.9 ℃)，溫升23.9 ℃。電機殼溫度的初始溫度同樣為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到393.8 K(120.8 ℃)，溫升20.8 ℃。圖16為第30 min的風機軸截面溫度分布情況，圖17為第30 min時電機殼表面溫度分布情況?？梢钥吹酱藭r電機殼表面最高溫度已達到400 K(127 ℃)以上，溫度較高的區(qū)域位于電機右半部分，由于冷卻風速較低，電機運行溫度較高。

圖14 電機艙內(nèi)冷卻風的路徑和走向

圖15 電機各部分溫度隨時間變化關系

圖16 軸截面溫度分布情況(30 min)

圖17 電機表面溫度分布情況(30 min)

2)采用冷卻風流速為25 m/s條件下的數(shù)值模擬結(jié)果。圖18為電機各部分溫度隨時間變化關系。冷卻風的進口溫度338 K(65 ℃)，在電機艙內(nèi)的平均溫度是343.3 K(70.3 ℃)，溫升5.3 ℃。電機轉(zhuǎn)子的初始溫度設置為373 K(100 ℃)，30 min后上升到386.7 K(113.7 ℃)，溫升13.7 ℃。電機殼溫度的初始溫度同樣為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到384.0 K(111 ℃)，溫升11 ℃。圖19為第30 min的風機軸截面溫度分布情況，圖20為第30 min時電機殼表面溫度分布情況?？梢钥吹酱藭r電機殼表面最高溫度已達到400 K(127 ℃)以上，且溫度較高的區(qū)域位于電機右半部分，因此該處最需要冷卻。由于冷卻風速提高，因此電機殼的散熱效果增強。

圖18 電機各部分溫度隨時間變化關系

圖19 軸截面溫度分布情況(30 min)

圖20 電機表面溫度分布情況(30 min)

4 結(jié)論

1)采用計算流體力學和數(shù)值傳熱學方法對船用高溫軸流風機電機的流場與溫度場開展耦合數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可對風機冷卻設計提供一定參考。

2)方案一的冷卻風的出口位置不太合理，因為高速旋轉(zhuǎn)的葉輪會對冷卻風出風造成阻礙，因此在實際應用中冷卻效果可能會受到影響。

3)方案二采用冷卻風出風方向與風機排風方向相同的設計方案后，冷卻效果優(yōu)于方案一。通過選取2種不同的冷卻風速，25 m/s的冷卻風速時電機殼溫度明顯低于采用12 m/s冷卻風速，可以得到在一定電機艙空間條件下，理論冷卻空氣的流速越大，電機散熱的效果就越好，但在能夠達到電機冷卻要求的前提下，應盡可能采用較小的冷卻風量。