船舶機艙在不同送風(fēng)形式下的氣流組織數(shù)值模擬

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

船舶機艙安裝著眾多的設(shè)備、儀器、管道，設(shè)備布置擁擠，發(fā)熱量大，加上艙內(nèi)系統(tǒng)工況切換、艙外環(huán)境的改變，使船舶機艙形成了一個異常復(fù)雜的熱環(huán)境[1-2]。合理的氣流組織有助于降低高溫設(shè)備附近環(huán)境溫度及機艙的散熱[3-5]。已有的研究對象都是以單層機艙。多層機艙比單層機艙結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，熱環(huán)境更難控制，這給機艙的氣流組織設(shè)計帶來了更大難度，為利用CFD對某實際4層機艙在斜向下送風(fēng)和垂直向下送風(fēng)2種典型送風(fēng)形式下的溫度場和速度場進行模擬和分析，為該艙室氣流組織設(shè)計提供參考。

1 物理模型與算例設(shè)置

1.1 物理模型

某船多層機艙，艙室分為4層，見圖1，層之間為實心隔板，整個艙室通過貫穿件與隔板之間的0.5 m的間縫聯(lián)通。艙室內(nèi)每層布置4條送風(fēng)管，每條送風(fēng)管上布置4個送風(fēng)口；2條回風(fēng)管布置在第一層距樓板2.7 m的高度，每條回風(fēng)管上布置6個回風(fēng)口；因樓板厚度相對于樓層高度可忽略不計，故將樓板簡化為無厚度面，并在相應(yīng)位置布置樓梯口，設(shè)備等。

圖1 船舶機艙模型

1.2 算例設(shè)置

針對該多層機艙的結(jié)構(gòu)和熱源分布特點，參照《ISO8861—1998造船-柴油機船舶機艙通風(fēng)設(shè)計要求和計算基準(zhǔn)》[9]進行通風(fēng)量估算，并在文獻[10-11]的研究基礎(chǔ)上設(shè)計斜向下送風(fēng)形式和垂直向下送風(fēng)形式，針對這2種送風(fēng)形式對該艙室模型進行模擬。斜向下送風(fēng)形式中，調(diào)整1、2層的送風(fēng)角度為30°，使冷卻風(fēng)能夠直接到達發(fā)熱量較高的設(shè)備1，將3、4層的送風(fēng)方式調(diào)整為垂直風(fēng)口送風(fēng)。垂直向下送風(fēng)形式是將所有風(fēng)口調(diào)整為垂直向下吹風(fēng)，風(fēng)管布置在每層的上部。具體參數(shù)見表1。

送風(fēng)口為速度進口，送風(fēng)溫度為20 ℃；回風(fēng)口為壓力出口，出口靜壓設(shè)為0，熱源總值為297 kW，熱源密度為0.384 kW/m2。

2 兩種送風(fēng)形式的模擬結(jié)果及分析

截取代表性的X、Y軸中間截面對模擬所得到的船舶機艙內(nèi)的溫度場和速度場進行分析。

2.1 溫度場分布

在該空調(diào)系統(tǒng)下，要求該艙室內(nèi)的溫度符合第1、2層的平均溫度小于等于60 ℃，第3、4層的平均溫度小于等于50 ℃的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。對艙室每層的X、Y截面的溫度統(tǒng)計見表2(方案1代表斜向下送風(fēng)形式，方案2代表垂直向下送風(fēng)形式)。

表1 送風(fēng)參數(shù)

表2 每層平均溫度統(tǒng)計 ℃

根據(jù)模擬結(jié)果繪制X、Y截面溫度等值線圖見圖2。

圖2 X、Y截面溫度等值線圖

由圖2可知，斜向下送風(fēng)形式中，設(shè)備1不存在局部溫度特高的狀態(tài)，絕大部分區(qū)域溫度都在55 ℃以下，設(shè)備1邊緣的最高溫度在95 ℃左右。說明該送風(fēng)形式下，冷卻風(fēng)能夠直接達到設(shè)備1進行降溫冷卻，減少了冷卻風(fēng)的損失，更好地控制區(qū)域溫度。當(dāng)采用垂直向下送風(fēng)時，X、Y截面的第3、4層溫度都較低，但第1、2層由于冷卻風(fēng)不能直接對其冷卻，故這2層的設(shè)備1壁面臨近區(qū)域溫度較高，特別是X截面第3層的左側(cè)壁面臨近區(qū)域溫度非常高，超過了180 ℃。

分析造成兩側(cè)溫度差異的原因，可能是由于左側(cè)豎直布置在中間的設(shè)備2造成冷卻風(fēng)不能向中部流動。

由表2的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，斜向下送風(fēng)形式下每層的溫度均可達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在垂直向下送風(fēng)形式下，雖然存在局部的高溫區(qū)，但每一層的平均溫度均達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 速度場分布

該艙室X、Y截面速度等值線圖及流線見圖3。由圖3可知，在斜向下送風(fēng)形式下，由于冷卻風(fēng)直接吹向設(shè)備1，周圍存在較大區(qū)域的高速區(qū)，這能減少氣流損失，使氣流得到充分利用。由圖3a)X截面可知，右側(cè)的氣流速度較大，并且冷卻風(fēng)能夠向中部移動對該區(qū)域進行降溫，但左側(cè)由于設(shè)備2的存在使左側(cè)冷卻風(fēng)流速度比較小，這也是溫度場分析中為什么上兩層左側(cè)溫度偏高的原因；由圖3b)Y截面可知，兩側(cè)氣流均可向中部流動對區(qū)域及設(shè)備進行降溫，但除了進風(fēng)口附近，其風(fēng)速普遍比較低。因此，在垂直向下送風(fēng)形式下，該艙室內(nèi)溫度總體比斜向下送風(fēng)形式下的高。

由圖3c)X截面可知，斜向下送風(fēng)形式下，右側(cè)的氣流速度較大，并且冷卻風(fēng)能夠向中部移動對該區(qū)域進行降溫，但左側(cè)由于豎直設(shè)備2的存在使左側(cè)冷卻風(fēng)流速很小，這也是溫度場中上兩層左側(cè)溫度偏高的原因；由圖3d)Y截面可知，設(shè)備1附近的風(fēng)速很低，因此設(shè)備1壁面臨近區(qū)域散熱速度慢，溫度比較高。

圖3 X、Y截面速度等值線圖及流線圖

3 結(jié)論

計算結(jié)果表明，兩種送風(fēng)形式的平均溫度均達到了設(shè)計要求，但垂直向下送風(fēng)形式下在第2、3層設(shè)備1壁面臨近區(qū)域大部分溫度超過100 ℃，甚至達到180 ℃，而斜下送風(fēng)形式下的設(shè)備1除了極少部分壁面臨近區(qū)域外，其余壁面臨近區(qū)域溫度都控制在100 ℃以內(nèi)。斜向下送風(fēng)形式下相對于垂直向下送風(fēng)形式，設(shè)備1壁面臨近區(qū)域最高溫度大約降低了44.4%。所以，斜向下送風(fēng)形式更有利于該多層機艙進行散熱，從而改善艙室內(nèi)的熱環(huán)境，為船上人員提供較為舒適的工作環(huán)境及較好的設(shè)備運行環(huán)境。