射流引風(fēng)裝置對(duì)船舶鍋爐艙室通風(fēng)系統(tǒng)的影響仿真

(中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

大噸位的船舶動(dòng)力系統(tǒng)多采用蒸汽系統(tǒng)并設(shè)置有鍋爐艙室。船舶鍋爐艙中的動(dòng)力設(shè)備眾多且布置緊湊，蒸汽管路眾多且走向復(fù)雜，鍋爐艙室熱量聚集，嚴(yán)重影響工作環(huán)境。有效的降溫手段以及合理的氣流組織對(duì)于改善鍋爐艙室乃至大空間動(dòng)力艙室的通風(fēng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。有研究發(fā)現(xiàn)在機(jī)艙大型發(fā)熱設(shè)備集中的位置增加布風(fēng)口與排風(fēng)口，可以有效帶走大量的熱負(fù)荷并消除部分油氣的聚集[1]。對(duì)一艘3 100箱集裝箱船運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件SC/Tetra對(duì)機(jī)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和模擬，獲得了整個(gè)機(jī)艙的氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布，并對(duì)機(jī)艙熱環(huán)境進(jìn)行分析，提出了若干種通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化措施[2]。對(duì)某型船動(dòng)力艙利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)艙內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了艙內(nèi)氣流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及相對(duì)濕度場(chǎng)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用艙室下部送風(fēng)，上部回風(fēng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)將回風(fēng)口布置在熱流密度較高的鍋爐附近，可以很好地將艙內(nèi)高溫氣體及時(shí)排除，維持艙內(nèi)溫度場(chǎng)的平衡[3]。為了探究射流引風(fēng)裝置在鍋爐艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的影響，結(jié)合鍋爐艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，模擬四組鍋爐艙通風(fēng)系統(tǒng)布置方案，包括無射流引風(fēng)裝置的原通風(fēng)系統(tǒng)布置方案，以及三組包含射流引風(fēng)裝置的典型布置方案。其中對(duì)無射流引風(fēng)裝置原通風(fēng)系統(tǒng)布置方案的仿真，目的是分析艙內(nèi)氣流的流動(dòng)情況及溫度場(chǎng)的分布，確定氣流不暢區(qū)域以及高溫區(qū)域，為后續(xù)方案中射流引風(fēng)裝置的布置提供依據(jù)，同時(shí)便于對(duì)比分析和驗(yàn)證射流引風(fēng)裝置對(duì)艙內(nèi)氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。

1 控制方程

數(shù)值模擬計(jì)算基于有限體積法求解的N-S方程組。壓力-速度的耦合求解采用SIMPLE格式。模擬計(jì)算工具為ANSYS15.0。采用有限體積法，將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列的連續(xù)體積，用一個(gè)基點(diǎn)來代替每個(gè)控制體積。

流體流動(dòng)需要遵循流體運(yùn)動(dòng)定律，包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律等。

2 建模及網(wǎng)格劃分

模型通風(fēng)口的布置位置和面積等與實(shí)際情況保持基本一致。所建立的艙內(nèi)設(shè)備和通風(fēng)口的幾何模型見圖1，與實(shí)際尺度的比例為1∶1，包含了鍋爐、冷凝器等在內(nèi)的主要熱源設(shè)備，以及連接新風(fēng)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，循環(huán)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口、入風(fēng)口，射流引風(fēng)裝置的出入風(fēng)口等。

圖1 艙內(nèi)設(shè)備和通風(fēng)口幾何模型(俯視)

對(duì)比模擬方案見圖2。方案1為無射流引風(fēng)裝置，方案2為兩側(cè)同向布置射流引風(fēng)裝置，方案3為單側(cè)同向布置，方案4為兩側(cè)反向布置。

圖2 3種射流引風(fēng)裝置布置示意

采用矩形計(jì)算域，長(zhǎng)13 m，寬28 m，高13.8 m，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為256萬。

3 邊界條件

重要的邊界條件包括新風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口邊界、循環(huán)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口邊界、發(fā)熱設(shè)備的邊界等。

根據(jù)新風(fēng)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)風(fēng)量、連接新風(fēng)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口數(shù)(共35個(gè))、出風(fēng)口面積等計(jì)算確定新風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的速度邊界約為8 m/s，根據(jù)相關(guān)文件中所提供參考環(huán)境溫度確定溫度邊界。

與新風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口邊界類似，根據(jù)循環(huán)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)風(fēng)量、連接循環(huán)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口數(shù)(共27個(gè))、出風(fēng)口面積等計(jì)算確定循環(huán)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的速度邊界約為10 m/s。根據(jù)射流引風(fēng)裝置的風(fēng)量及進(jìn)、出風(fēng)口通徑大小，射流引風(fēng)裝置出風(fēng)口的速度邊界約為18 m/s。

以單臺(tái)鍋爐的邊界為例。發(fā)熱量統(tǒng)計(jì)文件中所提供單臺(tái)鍋爐設(shè)備的發(fā)熱量約為70 kW，所建立單臺(tái)鍋爐設(shè)備的體積為69.062 m3、表面積為90.109 m2，由此計(jì)算得到單臺(tái)鍋爐設(shè)備的熱邊界為776.837 W/m2。

4 結(jié)果與討論

4.1 氣流場(chǎng)分析

模擬計(jì)算得到4個(gè)方案鍋爐艙內(nèi)不同類型風(fēng)機(jī)和射流引風(fēng)裝置所產(chǎn)生的氣流場(chǎng)情況，見圖3。

圖3 氣流場(chǎng)模擬結(jié)果

艙內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)主要由連接新風(fēng)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口、連接循環(huán)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口、循環(huán)風(fēng)機(jī)的入風(fēng)口、射流引風(fēng)裝置的入風(fēng)及出風(fēng)口等因素驅(qū)動(dòng)。

從流線密集度方面分析，相對(duì)于無射流引風(fēng)裝置方案(即方案1)，有射流引風(fēng)裝置的鍋爐艙內(nèi)其氣流場(chǎng)流線分布更為均勻，更多的流線到達(dá)靠近艙壁處的位置，表明射流引風(fēng)裝置可以有效減小艙內(nèi)空氣滯止區(qū)的體積，并提高原滯止區(qū)內(nèi)空氣的摻混與交換，增強(qiáng)艙內(nèi)空氣的擾動(dòng)；同時(shí)，流線更加密集，說明氣流的擾動(dòng)水平更高。尤其在射流引風(fēng)裝置的出風(fēng)口前部，在射流裝置的有效作用距離內(nèi)，流線平直、氣流方向一致、流速較高，可有效地驅(qū)動(dòng)射流引風(fēng)裝置布置位置附近的氣流，對(duì)氣流的驅(qū)動(dòng)作用明顯。兩側(cè)反向布置射流引風(fēng)裝置的方案(即方案4)的模擬結(jié)果表明，其流線分布最為密集，說明其擾動(dòng)相較為兩側(cè)同向布置(即方案2)，單側(cè)同向布置(即方案3)也更為充分，氣流在艙內(nèi)的分布更為均勻。

從流線方向方面分析，在無射流引風(fēng)裝置的通風(fēng)方案(方案1)中，預(yù)設(shè)的與新風(fēng)風(fēng)機(jī)及循環(huán)風(fēng)機(jī)相連的所有出風(fēng)口，其出風(fēng)方向均為垂直向下(相對(duì)甲板面)，其使得艙內(nèi)的氣流流向相對(duì)規(guī)則，流線方向基本為垂向。在開啟射流引風(fēng)裝置后，由于射流引風(fēng)裝置進(jìn)、出風(fēng)口水平布置，出風(fēng)口增加了水平方向的氣流流向，使得氣流場(chǎng)中的斜向流線明顯增多。得益于其較遠(yuǎn)的有效作用距離(約12 m)，射流引風(fēng)裝置不僅提高了氣流場(chǎng)內(nèi)的擾動(dòng)水平，還可以在立體空間中有效組織氣流，從而提高動(dòng)力艙通風(fēng)系統(tǒng)氣流場(chǎng)控制的靈活性。

4.2 溫度場(chǎng)分析

模擬計(jì)算得到4個(gè)方案下艙內(nèi)大部分區(qū)域的溫度值均處于41 ℃～60 ℃范圍，見圖4。

圖4 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

方案1仿真計(jì)算結(jié)果見圖4b)。分析圖4b)可以初步得到未使用射流引風(fēng)裝置情況下艙內(nèi)的高溫區(qū)域分布(高溫區(qū)域溫度高于其他區(qū)域溫度4 ℃以上)。高溫區(qū)域主要分布在艙內(nèi)左下部靠近排風(fēng)排煙圍阱一側(cè)。低溫區(qū)域的平均溫度約為41 ℃，集中在艙內(nèi)遠(yuǎn)離排風(fēng)圍阱的一側(cè)，高溫區(qū)域的平均溫度為52 ℃，集中在靠近排風(fēng)圍阱的一側(cè)。而在主要發(fā)熱設(shè)備附近區(qū)域，其溫度可達(dá)到或超過60 ℃，且其附近熱量按主要?dú)饬鞣较驍U(kuò)散。

溫度場(chǎng)仿真結(jié)果表明，開啟射流引風(fēng)裝置并未對(duì)艙室的平均溫度產(chǎn)生明顯影響(差異在1 ℃以內(nèi))。這與射流引風(fēng)裝置本身不制冷的特性相吻合，符合熱力學(xué)第一定律。但鍋爐艙內(nèi)的高溫區(qū)域分布受射流引風(fēng)裝置布置影響。

5 結(jié)論

1)射流引風(fēng)裝置投入運(yùn)行，其前側(cè)氣流的流線平直、氣流方向一致，具有很高流速，對(duì)艙內(nèi)氣流的驅(qū)動(dòng)作用非常明顯，整體上可提高艙內(nèi)空氣的擾動(dòng)，有效減少空氣滯留區(qū)。

2)射流引風(fēng)裝置可增加艙內(nèi)水平方向的氣流流向，有效作用距離可達(dá)到12 m，兩側(cè)反向布置時(shí)，鍋爐艙內(nèi)的氣流場(chǎng)最為均勻。

3)射流引風(fēng)裝置對(duì)艙室的平均溫度無明顯影響，在鍋爐艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)從新風(fēng)風(fēng)機(jī)，循環(huán)風(fēng)機(jī)的角度考慮整體艙室的冷量供給。