基于CFD技術(shù)的船舶機艙大空間氣流組織分布預(yù)測方法

楊衛(wèi)國

(海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計研究軍事代表室， 上海 200011)

0 引 言

艙室通風系統(tǒng)通常采用機械送風、排風與自然通風相結(jié)合的方式。一個設(shè)計完善的通風系統(tǒng)不但能為機艙內(nèi)主要設(shè)備燃燒提供所需新鮮空氣，同時還能將機艙內(nèi)的廢熱及時排出，改善艙內(nèi)人員的工作環(huán)境。機艙內(nèi)氣流組織分布往往是判斷一個艙室通風系統(tǒng)是否合理的主要依據(jù)，而獲得艙內(nèi)氣流組織分布的方法主要有射流公式法、區(qū)域化模型法、模型試驗法和計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics， CFD)法。隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，較其他方法而言，CFD技術(shù)顯然更加便捷且節(jié)約成本。近年來，CFD技術(shù)在艙室通風系統(tǒng)的研究上得到了廣泛應(yīng)用，但將其應(yīng)用在船舶整機艙、大空間流場的研究還并不多見，究其原因，主要是艙內(nèi)設(shè)備較多、計算空間復雜，進而增加計算難度和計算量，而且不易進行試驗驗證[1]。

以某船整機艙全流場為研究對象，提出一種應(yīng)用CFD技術(shù)進行艙內(nèi)大空間氣流組織分布預(yù)測以判定機艙大空間通風系統(tǒng)完善程度的研究方法。

1 機艙物理模型建立

本船機艙長為24.7 m、寬為17 m、最高為24.7 m，分主、副機艙布置，設(shè)備分布如圖1所示。主機艙主要布置2臺主推進柴油機及排氣系統(tǒng)等；副機艙主要布置3臺柴油發(fā)電機組及排氣系統(tǒng)；1臺燃油鍋爐及排氣系統(tǒng)和1臺焚燒爐及排氣系統(tǒng)布置在01甲板機艙棚內(nèi)(見圖1)；機艙內(nèi)采用4臺船用軸流風機及通風管路向艙內(nèi)送風，通過機艙棚和煙囪百葉窗向艙外排風。對機艙內(nèi)部流場建模時，忽略外形尺寸較小的設(shè)備，對艙內(nèi)設(shè)備適當簡化后建立的幾何模型如圖2所示。

圖1 機艙設(shè)備分布圖

圖2 機艙設(shè)備幾何模型

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型建立

近年來，CFD技術(shù)在模擬機艙氣流組織分布領(lǐng)域得到高速發(fā)展，本文利用流體計算軟件Fluent對艙內(nèi)氣流組織分布進行模擬。

利用Boussinesq渦旋黏性假設(shè)，忽略質(zhì)量力的可壓縮黏性氣體的Navier-Stokes方程組[2-3]描述如下：

連續(xù)方程為

(1)

動量方程為

(2)

能量方程為

(3)

狀態(tài)方程為

(4)

(5)

式中：τij為黏性應(yīng)力張量；xi、xj、xk分別代表笛卡爾坐標系的3個坐標軸；ui、uj、uk為速度矢量在xi、xj、xk方向上的分量；e為單位質(zhì)量的內(nèi)能；ρ為流體密度；P為壓力；R為理想氣體常數(shù)；T為溫度；δij為克羅內(nèi)克算子；μ為動力黏性系數(shù)；λ為熱傳導系數(shù)；μt為渦旋黏性因數(shù)。

2.2 網(wǎng)格劃分及算法

針對較為復雜的機艙內(nèi)部流體區(qū)域，采用Gambit軟件對其進行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分[4]，網(wǎng)格數(shù)量為1 088 028個，計算區(qū)域網(wǎng)格如圖3所示。在計算時，假設(shè)流體為不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流體，以湍流模型模擬渦旋黏性因數(shù)，采用SIMPLE算法對流場進行數(shù)值求解。

圖3 計算區(qū)域網(wǎng)格

2.3 邊界條件設(shè)置

本船主、副機艙分別設(shè)置2臺船用軸流風機，艙室排風主要通過機艙棚和煙囪百葉窗，是典型的置換通風與自然通風相結(jié)合的形式，計算邊界條件參照實際工況設(shè)置，如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置

3 設(shè)計方案及模擬結(jié)果分析

3.1 設(shè)計方案

根據(jù)《ISO 8861-1998造船-柴油機船舶機艙通風設(shè)計要求和計算基準》對本船艙室所需空氣量進行計算，環(huán)境參數(shù)為室外空氣溫度35 ℃、相對濕度70% 、機艙溫度45 ℃，得該艙室所需風量為43 m3/s。

3.2 模擬結(jié)果分析

經(jīng)過模擬計算，得到機艙內(nèi)部流場計算區(qū)域的詳細數(shù)據(jù)，圖4和圖5分別為機艙內(nèi)部截面總壓及速度分布。

圖4 機艙內(nèi)部截面總壓場(間隔5 m)

圖5 機艙內(nèi)部截面速度場(間隔5 m)

選取主、副機進口的區(qū)域典型截面x=5.2m和x=17.5m進行觀察，如圖6和圖7所示。主機進氣口周圍的總壓為13.4Pa，每臺主機進氣口上方的送風口風量為10.9m3/s，大于主機燃燒所需空氣量10.5m3/s；副機進氣口周圍的總壓為13.8Pa，副機進氣口上方的送風口總送風量為11.6m3/s，大于副機燃燒所需空氣總量2.77m3/s；機艙內(nèi)最小總壓為17.9Pa，說明整個機艙為正壓狀態(tài)。由上述計算結(jié)果不難看出，機艙內(nèi)主、副機進氣口周邊流場環(huán)境均能夠滿足其正常工作要求。

圖6 主機進口(x=5.2 m)內(nèi)部截面

圖7 副機進口(x=17.5 m)內(nèi)部截面

設(shè)計方案選用的風機其阻力損失指標分別為主機490Pa和副機590Pa，機艙各通風系統(tǒng)總壓損失如表2所示，各風機總壓損失均小于其阻力損失指標，因此主、副機艙均能保證達到額定流量。

表2 機艙各通風系統(tǒng)總壓損失

圖8為機艙底層通風管系布置圖，表3給出機艙通風系統(tǒng)各主要通風管口的流速、流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)。從表3可以看出：機艙煙囪排風口的流速為3.5 m/s，機艙總排風量為49.3 m3/s，大于機艙排風所需排風量43 m3/s，故能將機艙內(nèi)的熱量有效排出。

表3 各主要通風管口的流速、流量

圖8 機艙通風管系布置圖

4 結(jié) 語

以某船整機艙全流場為研究對象，將CFD技術(shù)應(yīng)用于船舶機艙大空間通風系統(tǒng)完善程度的判定與評價，獲得機艙內(nèi)氣流組織的分布狀態(tài)，通過模擬結(jié)果分析，所得結(jié)論如下：

(1) 主、副機進氣口上方的送風口風量均大于其燃燒所需的空氣量，本方案通風系統(tǒng)可滿足主、副機工作要求，主、副機可正常工作；

(2) 主、副機艙室內(nèi)通風系統(tǒng)阻力損失均小于所選用風機的阻力損失指標，風機可達到額定流量且正常運轉(zhuǎn)；

(3) 機艙煙囪排風口總排風量為49.3 m3/s，大于機艙散熱排風所需排風量43 m3/s，因此能將機艙內(nèi)的熱量有效排出。

(4) 本文所提出的船舶機艙通風系統(tǒng)完善程度的判定方法可作為船舶整機艙大空間氣流組織分布的預(yù)測手段，對通風系統(tǒng)的設(shè)計具有一定指導意義。