某型海關(guān)緝私艇機艙通風系統(tǒng)仿真研究

陳萬宏 何滔 王光放 陳海光

摘? ? 要：為解決某型海關(guān)緝私艇后機艙通風系統(tǒng)給柴油機曲軸箱帶來的壓差高報警問題，本文借助ANSYS CFX軟件建立后機艙通風系統(tǒng)及改裝方案的仿真模型，并進行仿真計算。經(jīng)實際驗證仿真模型貼近工程實際，仿真結(jié)果與實測結(jié)果基本一致、軸箱壓力高報警現(xiàn)象消失，改裝方案可行有效。

關(guān)鍵詞：ANSYS CFX;仿真

中圖分類號：U664.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In order to solve the problem of high pressure differential alarm of crankcase of diesel engine by the ventilation system of stern engine room of a certain type of customs cruiser， this paper establishes the simulation model of engine room ventilation system and its modification scheme with the ANSYS CFX software， and carries out the simulation calculation. It is found that the simulation model is basically close to the engineering practice， and the modification scheme can effectively solve the problem of the high pressure difference of crankshaft. The simulation results are compared with the measured results of the modification scheme of the customs cruiser subsequently built. The simulation results are basically consistent with the measured results， the high pressure alarm phenomenon of crankcase disappears， and the modification scheme is feasible and effective.

Key words： ANSYS CFX software; Simulation

1? ? 前言

某型海關(guān)緝私艇在推進柴油機滿負載運行時，出現(xiàn)曲軸箱高壓報警現(xiàn)象。經(jīng)分析和測量，發(fā)現(xiàn)后機艙處于負壓狀態(tài)，相對大氣的負壓值約為 1 000 Pa。其原因是推進柴油機曲軸箱呼吸器與通往室外的透氣管相連接，由于機艙存在較大負壓，造成曲軸箱的廢氣無法排出，使推進柴油機曲軸箱壓力高報警。

經(jīng)過分析，造成機艙負壓與通風管布置和通風形式有關(guān)，為解決該問題必需對后機艙通風管路進行優(yōu)化改裝，采取取消機艙送風管上的風箱和風管等措施。為評估上述優(yōu)化方案的有效性，利用ANSYS CFX有限元軟件對改裝前、后的后機艙通風情況進行模擬計算，以校核拆除風管和風箱后，機艙內(nèi)的風壓是否滿足要求。

2? ?通風系統(tǒng)概況

某型海關(guān)緝私艇是海關(guān)總署新一代系列船型的一種，也是我院承擔的又一項批量公務(wù)船設(shè)計任務(wù)，該型船共建造30艘。

該型艇設(shè)有前、后兩個機艙：每個機艙設(shè)有2臺CAT 3516C型推進柴油機（2 240 kW/1 800 r/min）和1臺柴油發(fā)電機組（150 kW/1 500 r/min）;前機艙設(shè)有1臺燃油熱水爐（加熱量174 kW）;前、后機艙分別設(shè)置自然通風和機械抽風兩種通風形式。

在確定該型艇的通風形式后，按《柴油機船舶機艙通風條件設(shè)計條件和計算準則》（CB/T3772-1996）對前、后機艙通風量進行估算，并選取通風機和進風格柵如下：

（1）機艙抽風機

（2）進風格柵

前機艙左、右風道各設(shè)2個面積為700×800 mm2的進風格柵，格柵通風率為75%，具有氣水分離和關(guān)閉功能;后機艙左、右風道各設(shè)有2個面積800×1100 mm2的進風格柵，格柵通風率為75%，具有氣水分離和關(guān)閉功能;前機艙直接進風艙內(nèi)，后機艙進氣由風箱和風管輸送至各用氣處所，如圖1所示。

3? ? 通風系統(tǒng)建模及仿真

3.1? 仿真軟件

CFX是全球第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型商業(yè)CFD工程分析軟件，由英國AEA TECHNOLOGY公司開發(fā)，并于2003年被ANSYS公司收購。CFX具有計算結(jié)果精確、物理模型豐富、用戶擴展性強大等優(yōu)點，一直引領(lǐng)著CFD技術(shù)的發(fā)展。該軟件已廣泛應(yīng)用于航空航天、旋轉(zhuǎn)機械、能源、石油化工、機械制造、汽車、生物技術(shù)、水處理、火災(zāi)安全、環(huán)保等領(lǐng)域，為全球用戶解決了大量的實際問題。

ANSYS CF不是單一的軟件，而是由多個相互配合的軟件模塊構(gòu)成的軟件包。主要包含4個功能模塊：前處理器（CFX-PRE）;求解器（CFX-SOLVER）;求解管理器（CFX- SOLVER MANAGER）;后處理器（CFD-POST）。

前處理器用于定義求解問題，如流體介質(zhì)屬性、計算區(qū)域的邊界條件、選用數(shù)學模型、求解精度、迭代步數(shù)、目標殘差等;求解器是CFX模擬計算的核心程序，在后臺運行，可通過求解管理器來設(shè)置求解器;求解管理器用于監(jiān)視求解進程，顯示求解器輸出的求解過程信息;后處理器用于完成計算結(jié)果的統(tǒng)計和圖形化處理。

CFX求解的過程主要包括：建立所研究問題模型;設(shè)定邊界條件;選擇求解器;求解及結(jié)果處理等步驟。

3.2? 模型建立

考慮到后機艙通風系統(tǒng)和主機組對稱布置的情況，為簡化計算過程建立了半寬后機艙CFD仿真模型并進行仿真。為提高模擬速度，在仿真過程中將通風機、通風柵、通風口、主機進氣格柵等進行了適當?shù)暮喕撼轱L風機簡化為流量與表壓的圓孔;自然進風口簡化為風量和壓力的矩形;主機進氣口簡化為出風口;風管出風口簡化為壓力出口。

利用ANSYS Geometry分別建立改進前、后仿真模型，如圖2、圖3所示。

3.3 邊界條件

流體的流動狀態(tài)主要有兩種形式：層流和湍流。

層流是指流體在流動過程中兩層之間沒有相互混摻，而湍流是指流體不是處于層流狀態(tài)。一般來說，湍流是普遍的，而層流則屬于個別情況。流體流動遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等物理定律。

通風系統(tǒng)為典型的不可壓縮流體湍流模型，可選用ANSYS CFX進行建模及仿真。為了進行模擬計算，將機艙通風系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為CFD計算的邊界條件。

作為CFD計算的邊界條件主要有：入口邊界條件;出口邊界條件;固體壁面邊界條件;對稱邊界條件;周期性邊界條件等。

（1）入口邊界條件就是指定入口流道變量的值.常見的入口邊界條件有：速度入口邊界條件、壓力入口邊界條件、質(zhì)量流量入口邊界條件。其中速度入口邊界條件適用于不可壓縮流;壓力入口邊界條件既可用于可壓縮流，也可用于不可壓縮流;質(zhì)量入口邊界條件適用于可壓縮流。

（2）出口邊界條件分為速度出口邊界、壓力出口邊界和質(zhì)量出口邊界三種情況。

某型海關(guān)緝私艇機艙通風系統(tǒng)模型的邊界條件如下：

入口邊界條件：用于模擬自然進風，風量為10.5 m/s、表壓為大氣壓;

出口邊界條件：用于模擬抽風機，風量10.5 m/s、表壓-402 Pa、方向指向機艙外;

壁面邊界條件：用于模擬主機吸氣口，風量2x5 m/s;

壁面邊界條件：用于模擬風管出風口，表壓-402 Pa;

對稱邊界條件：用于模擬左、右對稱面，風量為0 m/s。

3.4? 仿真計算

建立完仿真模型后，利用CFX-PRE進行前處理和劃分網(wǎng)格，并選定求解器。按要求分別設(shè)定計算模態(tài)、時間和時間間隔等參數(shù)，在ANSYS CFX中運行兩種通風形式的仿真模型，得到有、無風管的在X、Y和Z方向的壓力、速度分布情況，如圖4～5所示。

3.5? 仿真計算結(jié)果分析

由圖4～15可知：當風管存在時，后機艙處于負壓狀態(tài)，在主機進風口附近的負壓值約為650 Pa、氣流速度約5 m/s;最大負壓值1.1 kPa，與實測結(jié)果基本相當，證明模型簡化及參數(shù)選取較為接近工程實際;

當風管取消后，后機艙雖然也處于負壓狀態(tài)，但最大負壓值下降至約300 Pa，而進氣口附近的氣流速度則達到10 m/s，證明風管和風箱拆除后可有效改善后機艙通風效果。

3.6? 實船驗證

根據(jù)ANSYS CFX仿真結(jié)果，確定某型海關(guān)緝私艇后機艙通風系統(tǒng)改進方案如下：拆除后機艙自然進風管道和風箱，改為直接進風。

改裝結(jié)束后，按要求進行機艙通風系統(tǒng)系泊和航行試驗，試驗實測后機艙負壓值為350 Pa，曲軸箱壓力滿足推進柴油機使用要求，未再出現(xiàn)壓力高報警，證明改進方案可行有效。

4? ?結(jié)論

本文針對某型海關(guān)緝私艇通風系統(tǒng)的實際配置情況，首先借助ANSYS CFX建立改裝前通風系統(tǒng)仿真模型并進行適度簡化，確定邊界條件、劃分網(wǎng)格、選定計算器并進行仿真計算，在有風管狀態(tài)計算結(jié)果與實船測量結(jié)果基本相符，證明模型簡化和仿真合理，較為貼近工程實際;之后，建立改裝后的仿真模型，按CFX計算流程進行CFD計算，將改裝前、后仿真結(jié)果進行比較，改裝后的機艙通風效果明顯改善，實測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，曲軸箱壓力高報警現(xiàn)象消失，證明該模擬仿真方法可行，改裝方案可行有效。

參考文獻

[1] ANSYS CFX 14.0 從入門到精通[M]. 清華大學出版社.