某汽車運(yùn)輸船貨艙風(fēng)道通風(fēng)數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計

李邦華，張展飛，趙耀中，許浩

(1.上海船舶研究設(shè)計院，上海 201203;2.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

通風(fēng)系統(tǒng)是船舶最重要的系統(tǒng)之一，其設(shè)計是使得艙室擁有良好的空氣品質(zhì)、合理的氣流組織，以及避免通風(fēng)死角最重要的環(huán)節(jié)[1-2]。作為通風(fēng)系統(tǒng)組成部分之一的風(fēng)道是連接風(fēng)機(jī)與貨艙的紐帶，其阻力由兩部分組成：①由氣流與管道壁摩擦及其本身所具有的黏滯性引起的沿程阻力；②由風(fēng)道截面變化所產(chǎn)生的局部阻力。風(fēng)道阻力直接影響了風(fēng)機(jī)的選型，進(jìn)而影響船舶的能耗，航運(yùn)業(yè)已成為從法規(guī)角度強(qiáng)制性實(shí)施減少溫室氣體排放的行業(yè)，擁有低能耗的設(shè)計更易得到市場的認(rèn)可和船東的青睞，因此，確定出影響風(fēng)道風(fēng)阻的關(guān)鍵因素及找到風(fēng)道改進(jìn)和優(yōu)化的方法十分必要[3-5]。目前風(fēng)道阻力主要是通過傳統(tǒng)的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算[6]，此方法的準(zhǔn)確性依賴于管道壁面摩擦系數(shù)及局部阻力系數(shù)的選取，而且不能考慮風(fēng)道內(nèi)構(gòu)件對流場的影響也無法捕捉流場內(nèi)的流動細(xì)節(jié)。計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)能夠很好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)計算方法的不足，并且可以得到風(fēng)道內(nèi)流場的阻力分布情況，進(jìn)而分析出對風(fēng)道風(fēng)阻影響較大區(qū)域，有針對性地對風(fēng)道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，利用CFD進(jìn)行風(fēng)道風(fēng)阻計算和流場分析成為可能[7-8]。本文利用計算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+，采用Realizableκ-ε湍流模型對貨艙風(fēng)道通風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，確定出影響風(fēng)道風(fēng)阻的關(guān)鍵因素，以尋求減小貨艙風(fēng)道阻力的方法。

1 貨艙風(fēng)道通風(fēng)數(shù)值模擬

1.1 幾何模型的建立及計算域的邊界條件

數(shù)值計算之前需對風(fēng)道進(jìn)行幾何建模，本文研究的滾裝船共計27個送風(fēng)風(fēng)道，選取其中一個典型的風(fēng)道進(jìn)行研究，此風(fēng)道建好的幾何模型見圖1。

圖1 風(fēng)道幾何模型

由圖1可見，該風(fēng)道在船長方向為4檔肋距，船寬方向為750 mm，在垂直方向穿過4層甲板，此外在氣流進(jìn)口有一段斗狀的過渡區(qū)，這是由于在氣流進(jìn)口上方安裝有風(fēng)機(jī)帽，而風(fēng)機(jī)帽在船寬方向具有一定的幾何尺寸，為了使其不超過船舶舷側(cè)，氣流進(jìn)口需向船舷內(nèi)側(cè)偏移一定距離，但需注意的是斗狀區(qū)域的斜板不能影響通道和裝車數(shù)量。本船設(shè)計初期，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，風(fēng)道的設(shè)計：各層甲板開孔取700 mm×600 mm，見圖2；風(fēng)道入口斗狀區(qū)域的斜板傾角為10°，見圖3；風(fēng)道出口的開孔共計8個，開口大小為600 mm×800 mm，見圖4。

圖2 甲板開孔形式(單位：mm)

圖3 風(fēng)道入口斗狀區(qū)域斜板角度

圖4 風(fēng)道出口開孔(單位：mm)

氣流流場的計算域為風(fēng)道壁面包圍的內(nèi)域，其邊界條件的設(shè)置：氣流進(jìn)口為速度入口邊界，用于給定來流速度；風(fēng)道壁面設(shè)為壁面邊界條件；氣流出口設(shè)為壓力出口邊界條件。

1.2 湍流模型及網(wǎng)格劃分

由于本文在數(shù)值計算時考慮了空氣的黏性，氣流在流經(jīng)風(fēng)道時會有旋渦的產(chǎn)生，為了保證阻力計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用應(yīng)用較多的Realizableκ-ε湍流模型進(jìn)行模擬[2]。計算域網(wǎng)格的劃分采用Trimmer網(wǎng)格類型，考慮到風(fēng)道壁面處流場的物理量變化較為劇烈，因此，在近壁面區(qū)域采用了邊界層網(wǎng)格。為了確保計算精度和計算收斂，經(jīng)過網(wǎng)格的無關(guān)性驗證和收斂性判斷，最終確定出的計算域網(wǎng)格數(shù)量約60萬，網(wǎng)格劃分情況見圖5。

圖5 計算域網(wǎng)格劃分

1.3 計算輸入條件

空氣的密度取1.184 15 kg/m3；速度入口邊界給定的來流速度取該風(fēng)道對應(yīng)的風(fēng)機(jī)容量與氣流進(jìn)口面積的比值為13.35 m/s?？諝獾膭恿︷ざ热?.855 1×10-5Pa·s。

1.4 結(jié)果分析

風(fēng)道內(nèi)流場速度分布云圖見圖6，從圖6中可以看出，在斗狀區(qū)域斜板附近、甲板開孔，以及風(fēng)道出口區(qū)域的風(fēng)速明顯高于其他區(qū)域。由于局部阻力與風(fēng)速的平方成正比，因此，這些區(qū)域?qū)ψ枇Φ挠绊懖蝗莺鲆暋?/p>

圖6 風(fēng)道內(nèi)流場速度分布云圖

圖7～8分別為風(fēng)道內(nèi)空氣流場的渦量分布圖和速度矢量圖，從圖中可以看出，由于空氣黏性的存在及受到風(fēng)道內(nèi)甲板開孔等局部構(gòu)件的影響，氣流在流經(jīng)甲板開孔、氣流出口等區(qū)域時，較為紊亂，尤其在風(fēng)道底部形成了較為明顯的旋渦區(qū)域，這是傳統(tǒng)經(jīng)驗公式無法考慮的流場細(xì)節(jié)，在此也體現(xiàn)了使用湍流模型的必要性。

圖7 風(fēng)道內(nèi)空氣流場渦量分布 圖8 風(fēng)道內(nèi)空氣流場速度矢量

為了進(jìn)一步對計算結(jié)果進(jìn)行分析，在STAR-CCM+中求得風(fēng)道內(nèi)主要部位的局部阻力，在此對其進(jìn)行了標(biāo)記，見圖9。從局部阻力的計算結(jié)果可以看出,氣流在通過甲板開孔時，流通面積減小，產(chǎn)生的局部阻力較大，在各甲板處局部阻力總和占總阻力的64%，此外隨著甲板開孔與氣流進(jìn)口距離的增加，局部阻力數(shù)值大小有降低的趨勢；在風(fēng)道出口處的局部阻力為18 Pa，占總阻力的8%；其余阻力損失主要源于風(fēng)道入口段，考慮到風(fēng)道入口處有斜板，斜板對風(fēng)的流向產(chǎn)生了影響，也是產(chǎn)生局部阻力的原因之一。綜合風(fēng)道內(nèi)流場速度分布云圖和局部阻力分析結(jié)果，初定甲板開孔大小、風(fēng)道入口斗狀區(qū)域斜板傾角及風(fēng)道出口開孔大小為影響風(fēng)道局部阻力的關(guān)鍵因素，因此,下文中將這些因素對阻力的影響進(jìn)行重點(diǎn)討論。

圖9 風(fēng)道局部阻力分布

2 主要因素對阻力的影響

2.1 甲板開孔大小

為了討論甲板開孔大小對風(fēng)道總阻力的影響，選取4種甲板開孔方案，風(fēng)道的其余結(jié)構(gòu)設(shè)計與前文的初始設(shè)計保持一致。將各開孔方案下風(fēng)道總阻力的計算結(jié)果進(jìn)行對比，見表1。由表1可見，甲板開孔大小對阻力的影響十分明顯，隨著開孔的增大，風(fēng)道總阻力迅速降低，這是因為局部阻力與風(fēng)速的平方成正比，開孔的大小直接影響了風(fēng)道的流通面積，開孔越大則風(fēng)速越小，阻力也就越小，因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計允許的情況下，建議甲板開孔盡可能開大。

表1 不同甲板開孔方案下的風(fēng)道總阻力對比

2.2 風(fēng)道入口斜板傾角

在分析風(fēng)道入口斗狀區(qū)域斜板傾角對風(fēng)道總阻力的影響時，取表2中的4種斜板傾角方案，其中使用50°傾角斜板會減少滾裝船的裝車數(shù)量，在此僅作為規(guī)律性的研究放入此表進(jìn)行對比。此外，風(fēng)道內(nèi)其余結(jié)構(gòu)的設(shè)計與初始方案保持一致。將各傾角方案下風(fēng)道總阻力的計算結(jié)果進(jìn)行對比(見表2)可知，斜板傾角與風(fēng)道總阻力幾乎成線性關(guān)系，隨著斜板傾角的增大風(fēng)道總阻力逐漸減小，但需要注意的是較大的傾角會影響裝車數(shù)量和通道高度，因此,在不影響裝車數(shù)量和通道的情況下斜板傾角取大為優(yōu)。

表2 不同斜板傾角下的風(fēng)道總阻力對比

2.3 風(fēng)道出口開孔大小

為了討論風(fēng)道出口開孔大小對風(fēng)道總阻力的影響，取3種開孔方案。將各開孔方案下風(fēng)道總阻力的計算結(jié)果進(jìn)行對比，見表3，表3中所呈現(xiàn)出的規(guī)律為風(fēng)道出口開孔越大總阻力越小，但由于風(fēng)道出口處開孔的數(shù)量較多、開孔總面積較大，并且此處的局部阻力占總阻力比例較小，因此,在風(fēng)道出口處開孔總面積較大的情況下，再增大此處開孔大小減阻效果并不明顯。此處開孔對風(fēng)速有較大影響，因此,開孔大小還需根據(jù)氣流出口處所需的平均風(fēng)速確定。

表3 不同風(fēng)道出口開孔方案下的風(fēng)道總阻力

3 風(fēng)道優(yōu)化方案

通過分析,甲板開孔大小對風(fēng)道總阻力的影響較大，加之PCTC甲板層數(shù)較多，本文對甲板開孔進(jìn)行重點(diǎn)考慮。優(yōu)化后的甲板開孔在風(fēng)道兩側(cè)有較大的甲板留邊，因為在風(fēng)道的兩邊需鋪設(shè)絕緣材料，此外礙于保密要求開孔的具體尺寸未標(biāo)出；雖然斗狀區(qū)斜板傾角增大可得到更低的總阻力，但較大的傾角會影響裝車數(shù)量和通道高度，因此，為了避免對裝車數(shù)量和通道造成影響，優(yōu)化后的斜板傾角取35°；風(fēng)道出口處的局部阻力占總阻力的比例較小，但出口開孔越大風(fēng)阻越小，考慮到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，最終開孔大小取600 mm×800 mm。

最后將優(yōu)化前后的風(fēng)道總阻力進(jìn)行對比，見表4。從對比結(jié)果可知,優(yōu)化后的風(fēng)道總阻力為優(yōu)化前的62%，減阻效果十分明顯。本文所采用的優(yōu)化措施對于減少風(fēng)道阻力，降低風(fēng)機(jī)功率和船舶能耗有明顯的作用。

表4 優(yōu)化前后風(fēng)道總阻力的對比

4 結(jié)論

1)甲板開孔大小對總阻力的影響十分明顯，開孔的大小直接影響了風(fēng)道的流通面積，從而影響了風(fēng)速，而局部阻力與風(fēng)速的平方成正比，隨著甲板開孔的增大總阻力會迅速減少。為了減少風(fēng)道總阻力，建議在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，甲板開孔盡可能開大。

2)斗狀區(qū)域的斜板傾角與風(fēng)道總阻力幾乎成線性關(guān)系，斜板傾角越大總阻力越小，在不影響裝車數(shù)量和通道最小凈高要求的情況下，斜板傾角越大越好。

3)由于風(fēng)道出口處開孔總面積較大，且風(fēng)道出口處的局部阻力占總阻力的比例較小，在風(fēng)道出口處開孔總面積較大的情況下，增大開孔的減阻效果并不明顯。

4)優(yōu)化后的風(fēng)道總阻力為優(yōu)化前的62%，表明采用的優(yōu)化措施具有良好的減阻效果。