機(jī)艙通風(fēng)效果模擬及應(yīng)用

劉長(zhǎng)建，張譯元

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

對(duì)于船舶而言，主發(fā)電機(jī)艙是其核心艙室，具有系統(tǒng)管路繁雜、電纜多、布置空間相對(duì)緊湊和發(fā)熱負(fù)荷大等特點(diǎn)，一旦艙室內(nèi)的環(huán)境溫度超過(guò)發(fā)電機(jī)額定正常工作溫度，會(huì)引起發(fā)電機(jī)降效。根據(jù)這些特點(diǎn)，機(jī)艙主要采用機(jī)械通風(fēng)強(qiáng)制對(duì)流換熱的通風(fēng)方式。為在考慮主發(fā)電機(jī)艙通風(fēng)效果和主發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)燃燒所需風(fēng)量的基礎(chǔ)上，確定合適的送風(fēng)參數(shù)，盡量減少通風(fēng)量，減小風(fēng)管的尺寸，節(jié)省艙內(nèi)的空間，需對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行模擬分析。

機(jī)艙通風(fēng)方式通常根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果和設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)確定。理論計(jì)算的方法應(yīng)用較多，但受設(shè)備布置和空間要求等各種因素的影響，所得結(jié)果無(wú)法全面直觀地顯示。最真實(shí)有效的方法是直接根據(jù)具體項(xiàng)目對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，但這樣會(huì)受諸多因素的制約，比如需有較多項(xiàng)目可試驗(yàn)，有足夠的設(shè)計(jì)人員、充足的時(shí)間和較為豐富的測(cè)量工具等。相比之下，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法能克服這些缺點(diǎn)，通過(guò)數(shù)值模擬形象地再現(xiàn)流動(dòng)的細(xì)節(jié)，如各水平面或豎直面的溫度場(chǎng)、速度矢量及其隨時(shí)間的變化情況等。

1 基本流場(chǎng)理論

流體流動(dòng)遵循的物理規(guī)律是建立流體力學(xué)控制方程的依據(jù)[1-2]，主要包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律，這是數(shù)值計(jì)算的理論基礎(chǔ)。

1) 質(zhì)量守恒方程通常又稱(chēng)連續(xù)性方程。質(zhì)量守恒定律可表述為：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)流體微元中質(zhì)量的增加等于同一時(shí)間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。由此可推導(dǎo)出質(zhì)量守恒方程為

式(1)和式(2)中：u、v、w為質(zhì)點(diǎn)的速度a的分量，u=ax，v=ay，w=az。

2) 動(dòng)量守恒定律又稱(chēng)動(dòng)量方程、運(yùn)動(dòng)方程或Navier-Stokes方程。動(dòng)量守恒定律實(shí)際上就是牛頓第二定律，可表述為：微元體中流體的動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。

式(3)中：p為靜態(tài)壓力，Pa；為應(yīng)力張量；ρg為重力體積力，N；F為其他來(lái)源方面可能出現(xiàn)的抗性和來(lái)源，稱(chēng)為廣義源項(xiàng)；υ為已知方向上的流動(dòng)速度矢量。

3) 能量的產(chǎn)生和消失都不是憑空的，能量形式既能相互轉(zhuǎn)化，又能在2個(gè)物體間相互轉(zhuǎn)移，但總量保持不變。因此，對(duì)于氣體而言，在流動(dòng)中存在冷熱空氣熱交換過(guò)程就必然遵守能量守恒定律。

以比焓h和溫度T為變量的能量守恒方程為

式(4)中：k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；kt為湍流附加的導(dǎo)熱系數(shù)，為湍流普朗克常數(shù)，0.85，W/(m·K)；t為溫度，K；Sh為氣體的內(nèi)熱源。

對(duì)于理想氣體，比焓h可用溫度T的方程來(lái)表示，即

式(5)中：pc為等壓熱容。

氣體的內(nèi)熱源Sh可用通用變量φ和廣義源項(xiàng)ST表示，即

能量守恒方程可簡(jiǎn)化為

2 機(jī)艙的CFD模型

建立艙室模型是為了對(duì)機(jī)艙氣流組織（包括溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)等）進(jìn)行計(jì)算、校核和檢驗(yàn)[3]，計(jì)算區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)機(jī)艙區(qū)域。模型的準(zhǔn)確性直接影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在建模過(guò)程中，應(yīng)盡量貼近實(shí)船情況，但需對(duì)艙室設(shè)備作適當(dāng)簡(jiǎn)化。

本文以上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司在建碎石鋪設(shè)整平船項(xiàng)目中采用的主機(jī)機(jī)艙為例進(jìn)行模擬分析[4]，該艙室為長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，位于主船體內(nèi)，上部為日曬甲板。機(jī)艙內(nèi)設(shè)置3臺(tái)主柴油發(fā)電機(jī)組，額定功率為900kW，其中任意2臺(tái)發(fā)電機(jī)組可并車(chē)運(yùn)行，另外1臺(tái)備用；同時(shí)，設(shè)置1臺(tái)輔柴油發(fā)電機(jī)組，額定功率為200kW，滿(mǎn)足停泊工況下發(fā)電負(fù)荷的需要。

該機(jī)艙的通風(fēng)方案設(shè)計(jì)為：采用側(cè)送上排的氣流組織形式，機(jī)艙兩端選擇2臺(tái)機(jī)械送風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為31200m3/h，靜壓為410Pa，有2路送風(fēng)支管連接到花鋼板下方，每臺(tái)送風(fēng)機(jī)連接的送風(fēng)管路配置8個(gè)風(fēng)口，位于機(jī)艙中間部位，排風(fēng)形式為自然排風(fēng)。對(duì)該機(jī)艙通風(fēng)方案進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，采用Fluent[5]的前處理軟件Gambit進(jìn)行數(shù)理建模，建模時(shí)忽略其他設(shè)備等次要因素，主要考慮柴油發(fā)電機(jī)組、主發(fā)電機(jī)排煙管、渦輪增壓器、進(jìn)排氣風(fēng)管和風(fēng)箱對(duì)通風(fēng)造成的影響。

此次模擬采用六面體網(wǎng)格進(jìn)行初算，并不斷進(jìn)行細(xì)化，得到的機(jī)艙模型見(jiàn)圖1。

圖1 機(jī)艙模型

3 模擬結(jié)果

該碎石鋪設(shè)整平船是深中通道項(xiàng)目的配套項(xiàng)目，其建造規(guī)格書(shū)規(guī)定：作業(yè)區(qū)域要求為近海海區(qū)拖帶，沿海海區(qū)作業(yè)；航區(qū)要求為沿海航區(qū)作業(yè)，近海航區(qū)拖航。同時(shí)，根據(jù)室外設(shè)計(jì)工況的要求，所選溫度為大氣設(shè)計(jì)溫度-20～45℃。另外，根據(jù)任意2臺(tái)發(fā)電機(jī)組可并車(chē)運(yùn)行的要求，分2種仿真工況，即：選擇2臺(tái)主發(fā)電機(jī)的輻射熱作為初始條件；選擇風(fēng)機(jī)在進(jìn)風(fēng)箱入口處的送風(fēng)速度4.5m/s作為邊界條件。在絕熱環(huán)境下對(duì)機(jī)艙內(nèi)部流場(chǎng)和柴油發(fā)電機(jī)組的輻射熱進(jìn)行耦合分析。

3.1 通風(fēng)方案的溫度場(chǎng)分析

由于動(dòng)車(chē)主發(fā)電機(jī)的位置不同，熱源的位置有所不同，選擇兩種方案進(jìn)行模擬，根據(jù)該船的航區(qū)，經(jīng)查近海海域的常規(guī)設(shè)計(jì)工況和規(guī)格書(shū)的設(shè)計(jì)工況，選擇比較惡劣的設(shè)計(jì)工況作為模擬的具體參數(shù)，即45℃，70%相對(duì)濕度。同時(shí)，在模型中分別選取建模高度Y=1.5m和Y=2.0m的切片，核查不同高度的溫度場(chǎng)。

1) 方案一，選擇兩邊2臺(tái)主發(fā)電機(jī)并車(chē)時(shí)進(jìn)行模擬，得出1.5m和2.0m高度的溫度場(chǎng)，結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 Y=1.5m溫度場(chǎng)分布

圖3 Y=2.0m溫度場(chǎng)分布

2) 方案二，選擇中間和兩邊任意一臺(tái)主發(fā)電機(jī)并車(chē)進(jìn)行模擬，得出1.5m和2.0m高度的溫度場(chǎng)，結(jié)果見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 Y=1.5m溫度場(chǎng)分布

圖5 Y=2.0m溫度場(chǎng)分布

由圖2～圖5可知，機(jī)艙內(nèi)的溫度基本上都在45～55℃，除了發(fā)熱設(shè)備本體以外，室內(nèi)溫度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，通過(guò)1.5m高度的圖2與2.0m高度的圖3和圖5對(duì)比可以看出，溫度的變化趨勢(shì)是從下向上逐漸增加，在主發(fā)電機(jī)本體周?chē)鷧^(qū)域溫度明顯增加，究其原因，主要是主發(fā)電機(jī)和增壓器等設(shè)備本身的發(fā)熱量造成的，因此溫度升高屬于正?，F(xiàn)象。同時(shí)，從圖2和圖4可見(jiàn)，距離設(shè)備很近的位置溫度就迅速下降，說(shuō)明通風(fēng)的效果很顯著，下部?jī)H布置2個(gè)風(fēng)口也是合理的，下部的溫度變化較小，這是因?yàn)橄虏繘](méi)有較大的熱源存在。進(jìn)一步分析，側(cè)送上排的氣流組織形式滿(mǎn)足2種主機(jī)工作工況的要求，在室外溫度為45℃的工況下，艙室溫度都在50℃左右，溫升在5K左右，適于工作人員內(nèi)部操作。

3.2 通風(fēng)方案的速度矢量分析

不論是兩邊2臺(tái)主機(jī)并車(chē)，還是中間1臺(tái)與兩邊任意1臺(tái)并車(chē)，機(jī)艙的通風(fēng)設(shè)計(jì)都是不變的，因此其速度矢量模型僅做1種分析，結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 Y=1.5m平面速度矢量分布

圖7 Y=2.0m平面速度矢量分布

從圖6和圖7中可看出，下部的風(fēng)速較小，上部（與風(fēng)口水平位置處）的風(fēng)速較大，這與通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)口的布置有關(guān)，因?yàn)楣苈凡捎玫氖莻?cè)送上排的方式，風(fēng)口主要在上部，新鮮空氣在重力的作用下自然下降，從而帶走艙室內(nèi)部的熱量，這也符合房間內(nèi)的熱源分布。房間內(nèi)的熱源主要是主發(fā)電機(jī)和增壓器等，符合熱空氣向上的原理，因此熱空氣在向上運(yùn)動(dòng)過(guò)程中直接通過(guò)排風(fēng)排到室外，從而使房間內(nèi)的溫度下降，并控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，這說(shuō)明該通風(fēng)方案滿(mǎn)足通風(fēng)設(shè)計(jì)的要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 應(yīng)用CFD軟件建立了主發(fā)電機(jī)艙及內(nèi)部主要設(shè)備的網(wǎng)格模型，利用CFD軟件有效模擬了側(cè)送上排工況下機(jī)艙內(nèi)部的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

2) 在側(cè)送上排的氣流組織系統(tǒng)中，通過(guò)模擬可知：艙室下部溫度較低，這與艙室下部熱源較少有關(guān)；艙室上部溫度較高。但是，通過(guò)對(duì)速度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析可知，上部排風(fēng)處風(fēng)速較高有利于上部熱空氣排出，進(jìn)一步說(shuō)明了在類(lèi)似船舶模型中，減少風(fēng)管下部送風(fēng)支管數(shù)量也能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要。

3) 通過(guò)此次模擬，提前得到了房間內(nèi)的溫度場(chǎng)和速度矢量云圖，驗(yàn)證了該艙室的通風(fēng)方案基本上能達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿(mǎn)足機(jī)艙通風(fēng)的要求，說(shuō)明該通風(fēng)方案是有效可行的。