汽車滾裝處所通風(fēng)的數(shù)值計算及設(shè)計優(yōu)化

劉鎮(zhèn)劍 東之杰 郭軒 顧峰

摘 ? ?要：汽車滾裝處所是汽車滾裝船裝載車輛的主要場所和危險區(qū)域，其通風(fēng)設(shè)計非常關(guān)鍵。但常規(guī)的設(shè)計方法多依賴于設(shè)計經(jīng)驗或定性分析，對于大尺度、高復(fù)雜的滾裝處所通風(fēng)設(shè)計不夠精確。本文采用CFD數(shù)值計算方法，對某型汽車滾裝船的滾裝處所進(jìn)行了數(shù)值計算和分析。針對單根風(fēng)管，分析其壓力損失和風(fēng)量分配;針對整個滾裝處所，分析其流場特性。根據(jù)計算分析的結(jié)果，對滾裝處所的通風(fēng)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到提高通風(fēng)效率的目的。

關(guān)鍵詞：汽車滾裝處所;CFD數(shù)值計算;風(fēng)管風(fēng)量平衡分配;滾裝處所流場特性;通風(fēng)優(yōu)化

中圖分類號：U674.135?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Abstract： The car ro-ro space is the main vehicles loading place and important dangerous zone for car ro-ro ships， and its ventilation design is very critical. However， conventional design methods mostly rely on design experience or qualitative analysis， which is not accurate enough for the ventilation design of large-scale and highly complex ro-ro space. In this paper， the CFD numerical calculation and analysis are made for a certain type of PCTC. The pressure loss and air volume distribution of a single ventilation duct are analyzed. The flow field characteristics of the whole ro-ro space is analyzed. According to the result of calculation and analysis， the ventilation design of the ro-ro space is optimized to improve the ventilation efficiency.

Key words： Car ro-ro space; CFD numerical calculation; Air volume distribution; Flow field characteristics; Optimization of ventilation

1 ? ?前言

汽車滾裝處所是汽車滾裝船裝載車輛的主要處所。在汽車裝載、綁扎的過程中，會在封閉的滾裝處所內(nèi)產(chǎn)生大量汽車尾氣，為避免火災(zāi)等危險事故，汽車滾裝處所的通風(fēng)設(shè)計尤為關(guān)鍵。汽車滾裝處所的空間尺寸大、所需風(fēng)量大，常使用多根風(fēng)管，采用機(jī)械送風(fēng)、抽風(fēng)及自然通風(fēng)相結(jié)合的形式對滾裝處所進(jìn)行通風(fēng)，其風(fēng)管風(fēng)量分配和貨艙區(qū)域的空氣流動都較為復(fù)雜。

傳統(tǒng)的通風(fēng)設(shè)計多以公約或船級社規(guī)范為基礎(chǔ)、結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗和定性分析的方式進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計。陳鷺清[1]根據(jù)MSC.1 circ.729及SOLAS規(guī)范對汽車滾裝船的貨艙通風(fēng)總風(fēng)量計算、壓降計算、噪音計算進(jìn)行了歸納總結(jié);張雷、王紅[2]以煙大鐵路輪渡渡船為例，介紹了滾裝處所通風(fēng)的常規(guī)設(shè)計方法，包括通風(fēng)總風(fēng)量計算、風(fēng)管布置等方面。但傳統(tǒng)的設(shè)計方法并不能準(zhǔn)確反應(yīng)滾裝處所通風(fēng)的壓力損失、風(fēng)量分配、整艙通風(fēng)效果。相比傳統(tǒng)設(shè)計方法，以CFD為基礎(chǔ)的設(shè)計方法更能反映通風(fēng)流動信息和具體情況。近年來，CFD技術(shù)在船舶設(shè)計中得到越來越多的應(yīng)用。蔣仕偉[3]對三維封閉機(jī)艙進(jìn)行了數(shù)值計算，分析了影響機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)通風(fēng)效果的相關(guān)參數(shù)，繪制出不同工況下典型斷面的熱層分布圖;安毓輝[4]等人對集裝箱冷箱的送風(fēng)和抽風(fēng)兩種通風(fēng)模式，從氣流組織、排熱效率和通風(fēng)阻力等方面進(jìn)行了比較分析。

本文采用CFD數(shù)值計算方式，利用Fluent軟件對某汽車滾裝船的滾裝處所建模，針對單根風(fēng)管分析其空氣流動、壓力損失、風(fēng)量分配等通風(fēng)特性，同時針對整個滾裝處所分析不同通風(fēng)方式對其流場分布的影響，從中選擇最優(yōu)方案。

2 ? ?計算模型

本文研究的某汽車滾裝船的滾裝處所設(shè)計，如圖1所示：共有14層甲板。14層甲板的兩舷共布置60個風(fēng)機(jī)房，每個風(fēng)機(jī)房1臺風(fēng)機(jī);14層甲板又分為5個組，每個組分別配有10～16臺風(fēng)機(jī);同一個組內(nèi)的甲板平臺有開口，可認(rèn)為同一個組的滾裝處所相互連通。由于相比機(jī)械通風(fēng)，每個組之間的自然通風(fēng)可以忽略不計;另一方面，每臺風(fēng)機(jī)僅對1個組通風(fēng)服務(wù)，故而本文僅對其中組 4（11和12甲板）進(jìn)行建模分析，以此為代表分析該型汽車滾裝船的通風(fēng)特性。

組4 滾裝處所長約200 m、寬約36.5 m、高約5.44 m，共2層。整個滾裝處所配備10臺風(fēng)機(jī)，其中5臺為可逆風(fēng)機(jī)。當(dāng)正常航行時，5臺風(fēng)機(jī)送風(fēng)、5臺風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，送風(fēng)總風(fēng)量約為3.7x105 m3/h、換氣次數(shù)為10次/ h;靠港工況時，10臺風(fēng)機(jī)送風(fēng)，滾裝處所自然通風(fēng)，換氣次數(shù)為20次/ h。該項設(shè)計滿足SOLAS規(guī)范對于滾裝處所的通風(fēng)次數(shù)要求。

組4的每個風(fēng)管皆為流通面積相同的矩形風(fēng)管，風(fēng)管內(nèi)部有結(jié)構(gòu)筋板，如圖2所示;風(fēng)管共有16個出風(fēng)口，每層甲板8個出風(fēng)口，如圖3所示;整個滾裝處所的建模，如圖4所示。

考慮到通風(fēng)的Re>5 000，數(shù)值計算采用k-ε 湍流模型。對于壁面，采用無滑移邊界條件，但認(rèn)為風(fēng)管具有一定粗糙度，以此模擬通風(fēng)過程中的管路阻力損失;對于N-S方程中的對流項采用二階迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項采用中心差分格式;全船的網(wǎng)格總數(shù)在400萬左右;研究單根風(fēng)管的流動特性時，對風(fēng)管內(nèi)的結(jié)構(gòu)部件局部網(wǎng)格加密。

3 ? ?單根風(fēng)管的壓力損失計算及分析

3.1 ? 風(fēng)管通風(fēng)的壓力損失

單根風(fēng)管或從大氣抽氣，經(jīng)風(fēng)機(jī)房百葉窗、風(fēng)機(jī)房、風(fēng)管送至滾裝處所;或從滾裝處所抽氣，經(jīng)風(fēng)管、風(fēng)機(jī)房、風(fēng)機(jī)房百葉窗排至大氣。對于送風(fēng)管，其進(jìn)口邊界條件為大氣，因為滾裝處所空間遠(yuǎn)大于出風(fēng)口，出口邊界條件可近似認(rèn)為均勻出風(fēng)。整個送風(fēng)（或抽風(fēng)）的壓力損失主要來自管道流動損失、進(jìn)風(fēng)百葉窗、風(fēng)機(jī)房與風(fēng)管異徑連接、每層甲板處的結(jié)構(gòu)筋板、出風(fēng)口等。

計算得到的風(fēng)管壓力分布，如圖5所示。從計算結(jié)果可以看出：

（1）由于本船采用的結(jié)構(gòu)風(fēng)管無支風(fēng)管且流通面積一致，所以管路流動損失較小，約為5 Pa，遠(yuǎn)小于多支管、多異徑變化的機(jī)艙風(fēng)管、集裝箱船貨艙風(fēng)管;

（2）最大的壓力損失來自于結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)部的結(jié)構(gòu)筋板，從圖5中可以看出結(jié)構(gòu)筋板前后的壓力變化很大，整個風(fēng)管由于結(jié)構(gòu)筋板而損失約60 Pa。

3.2 ? 風(fēng)管通風(fēng)的風(fēng)量分配及優(yōu)化方案

圖6為垂直于出風(fēng)口的風(fēng)速分布。從計算結(jié)果可知，對于單根風(fēng)管出風(fēng)口的風(fēng)量分配并不均勻，送往10層甲板的風(fēng)量約為總風(fēng)量的70%，而在抽風(fēng)時11層甲板抽取的風(fēng)量約占總風(fēng)量的90%，所以對于10層甲板送風(fēng)多、抽風(fēng)少;對于11層甲板則送風(fēng)少、抽風(fēng)多。雖然10和11層甲板之間是連通的，但自然通風(fēng)相比機(jī)械通風(fēng)效率較低，必然會造成滾裝處所每層的風(fēng)量分配不均勻，局部通風(fēng)風(fēng)量會嚴(yán)重不足，存在局部溫度和危險氣體密度偏高等問題。

針對這個問題，常見的優(yōu)化方案是調(diào)整各個風(fēng)管出口尺寸，將原來16個完全一致的出風(fēng)口改為尺寸不同的出風(fēng)口。在本船設(shè)計中，總共有9種尺寸型式的出風(fēng)口;對于單根風(fēng)管，通常也會采用2～4種出風(fēng)口，通過風(fēng)口尺寸達(dá)到均勻風(fēng)量、優(yōu)化通風(fēng)的目的。

除此之外，還要考慮在結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)部增加導(dǎo)流板的優(yōu)化方式，如圖7所示，單根送風(fēng)管在11層甲板處增加導(dǎo)流板。該導(dǎo)流板一方面改變送風(fēng)局部風(fēng)向，增加了11層甲板的出風(fēng)量;另一方面增加了10和11層甲板之間的局部阻力，使得10層甲板通風(fēng)口的出風(fēng)量減少。圖8為優(yōu)化前后數(shù)值計算結(jié)果，從圖8可以看出風(fēng)量分配更為均勻，滾裝處所通風(fēng)質(zhì)量得到優(yōu)化。

4 ? ?滾裝處所的流場特性及分析

從上可知，通過對單根結(jié)構(gòu)風(fēng)管的優(yōu)化能達(dá)到減少流動阻力損失、均勻風(fēng)量分配的效果;另一方面，整個滾裝處所的流場情況也是本文關(guān)注的重點。在組 4中，2層甲板平臺共布置了10根風(fēng)管，其中5根送風(fēng)管、5根抽風(fēng)管。如何合理布置送風(fēng)管和出風(fēng)管的位置，是設(shè)計時需要考慮的問題。為此，本文選取了下列3種布置方式進(jìn)行對比：

（1）首部送風(fēng)，尾部出風(fēng);

（2）左舷送風(fēng)，右舷出風(fēng);

（3）中間送風(fēng)、前后出風(fēng)。

圖9所示為三個方案速度矢量場的對比，可以看出：當(dāng)采用方案1時，除了滾裝處所首部局部送風(fēng)量較少，其他區(qū)域風(fēng)量充足，特別是中尾部區(qū)域流場均勻;采用方案2時，由于送風(fēng)風(fēng)管和抽風(fēng)風(fēng)管距離過近，滾裝處所缺少縱向?qū)α?，很多區(qū)域風(fēng)量較少;采用方案3時，中間進(jìn)風(fēng)一部分吹向首部，一部分吹向尾部，在首尾的通風(fēng)狀況良好，但在中間區(qū)域缺少通風(fēng)。通過以上對比，本船設(shè)計選用了（1）方案。

5 ? ?結(jié)論

本文利用Fluent軟件，對某型汽車滾裝船的滾裝處所進(jìn)行了CFD計算，分析了單根結(jié)構(gòu)風(fēng)管的通風(fēng)流動特性及滾裝處所的流場特性，并針對其通風(fēng)設(shè)計中的不足提出了優(yōu)化方案，主要結(jié)論為：

單根風(fēng)管的壓力損失主要來自于結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)的結(jié)構(gòu)筋板和管徑變化，可以利用減小結(jié)構(gòu)筋板、在風(fēng)機(jī)房與風(fēng)管連接處增加導(dǎo)流板等方法減小風(fēng)管的壓力損失;

當(dāng)結(jié)構(gòu)風(fēng)管都采用相同尺寸的出風(fēng)口時，各個出風(fēng)口的風(fēng)量不均勻。在同一個組，上層甲板送風(fēng)少、出風(fēng)多;而通過合理調(diào)整出風(fēng)口的尺寸，或在結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)合適位置增加導(dǎo)流板等方法，能達(dá)到均勻風(fēng)量的目的;

當(dāng)送風(fēng)管和抽風(fēng)管布置在滾裝處所不同位置時，滾裝處所的通風(fēng)效果不同。當(dāng)采用首部送風(fēng)、尾部出風(fēng)的方案時，流場更為均勻、通風(fēng)死角較少，為本船的最佳設(shè)計方案。

參考文獻(xiàn)

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