80 000噸級半潛船機艙通風系統(tǒng)數(shù)值模擬

馮擁軍，顧鑫鑫，郭月姣，董才道，馮國增

(1.江蘇科技大學 資產(chǎn)經(jīng)營有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；2.江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

半潛船主要用于裝運超大、超重且不可分割的特殊物體，也可用來運輸大型海上石油鉆井平臺、大型船舶、預制橋梁構件等。半潛船功能多樣，可以實現(xiàn)上浮下潛，具有先進的動力定位系統(tǒng)。隨著深海資源的不斷開發(fā)和國際間合作項目的日益增多，半潛船的需求量必然增大。

船舶機艙作為船舶主動力驅(qū)動裝置放置的空間，機艙通風狀況的好壞對機艙內(nèi)設備能否正常運行影響重大。船舶機艙通風的目的就是建立并維持機艙內(nèi)適宜的環(huán)境條件(溫度、濕度、空氣流速、清潔度等),以保證柴油發(fā)電機、鍋爐燃燒所必須的空氣量，同時也要保證機艙內(nèi)部良好的工作環(huán)境，改善機艙工作人員正常工作所需的環(huán)境。曾宏強等將全新風系統(tǒng)、循環(huán)冷卻加新風系統(tǒng)及射流通風3種方式進行對比，分析各自的優(yōu)缺點；楊衛(wèi)國提出一種應用CFD技術進行艙內(nèi)大空間氣流組織分布預測以判定機艙大空間通風系統(tǒng)完善程度的研究方法；郭昂等運用CFD技術對海監(jiān)船機艙通風系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，并對送回風口形式進行優(yōu)化，改善了機艙內(nèi)的氣流組織分布；趙楠等采用CFD仿真方法和通風評價指標，分析了機艙常規(guī)通風時的氣流溫度場，并在此基礎上引入射流通風，改善機艙的通風狀況；CHEN等運用CFD數(shù)值模擬方法研究機艙內(nèi)不同通風方案下的風速、溫度和濕度分布，選擇合適的通風方案。

機艙內(nèi)的氣流組織是由風口位置及風量大小決定的，風口高度的合理性會影響艙內(nèi)氣體的流動性，減少渦旋的產(chǎn)生。本文以80 000噸級半潛船機艙為研究對象，應用Airpak軟件對不同風口布置高度的機艙通風進行數(shù)值模擬，找到合適的通風管道布置高度，以維護機器設備的穩(wěn)定運行，保障工作人員正常的工作環(huán)境。

1 機艙結構及物理模型

1.1 機艙結構

80 000噸級半潛船設有前后2個機艙，機艙尺寸為48 m×22.5 m×9.2 m(長×寬×高)，2個機艙通風相互獨立。每個機艙分上下層，內(nèi)設2道縱壁，將每個機艙分為6塊區(qū)域。機艙內(nèi)有6臺發(fā)電機組、2臺鍋爐及電氣設備等。機艙通風系統(tǒng)設計需充分考慮結構的影響，確保機艙送風及排風順暢，使發(fā)電機組、鍋爐得到足夠的燃燒空氣，設備散發(fā)的熱量被充分帶走。

1.2 物理模型

根據(jù)機艙的實際結構尺寸，將其簡化為48 m×22.5 m×9.2 m(長×寬×高)的長方體結構，機艙內(nèi)的主要熱源是柴油機和鍋爐，而電氣設備等散熱相對于柴油機和鍋爐較少，可以忽略不計。根據(jù)機艙內(nèi)設備的實際結構尺寸，在不影響模擬結果的前提下，將艙內(nèi)設備進行簡化，艙內(nèi)設備及通風系統(tǒng)的數(shù)量和結構尺寸見表1。采用Airpak軟件建立機艙、艙內(nèi)設備及通風系統(tǒng)的三維模型，見圖1。

表1 設備數(shù)量及尺寸

1—6 500 kW發(fā)動機；2—4 200 kW發(fā)動機；

2 數(shù)學模型

本文假設艙室內(nèi)的空氣流動處于常溫、低速、不可壓的狀態(tài)，并符合理想氣體狀態(tài)方程和Boussinesq假設：

(1)密度變化除了對動量守恒方程浮升力項有影響外，對其他項的影響可忽略，室內(nèi)空氣物性參數(shù)可視為常數(shù)。

(2)密度差與溫度差成比例，即：

(-)=(-)

(1)

綜合引入的湍流動能方程和湍流動能耗散率方程，得到的模擬室內(nèi)氣流組織的控制方程組如下：

(1)連續(xù)性方程

(2)

(2)動量方程

(-)

(3)

(3)能量方程

(4)

(4)方程

(5)

(5)方程

(6)

式(1)～式(6)中：為參考密度；為流體密度；為容積膨脹系數(shù)，1/，取值為3.67×10；為流體溫度；為參考溫度；、為坐標位置；、分別為速度矢量在、方向上的分量，=1,2,3；為湍流粘性系數(shù)；為粘性系數(shù)；為湍流有效粘性系數(shù)；為時間；為重力加速度；為流體壓力；為湍動能；為湍流動能耗散率；、、、、、為常數(shù)，經(jīng)驗常數(shù)取值可參考表2。

表2 常用經(jīng)驗常數(shù)

3 模擬計算

根據(jù)船舶設計規(guī)范，機艙的通風量為柴油機鍋爐燃燒所需空氣量及排除機艙內(nèi)設備散熱所需空氣量之和。通過計算得到機艙的總通風量為248 400 m/h，每個送風口風量為2.875 m/s，送風風速為2.995 m/s，送風溫度為35 ℃。排風量與送風量相等，則每個排風口風量為11.5 m/s。6 500 kW發(fā)電機的散熱量約為170 kW，4 200 kW發(fā)電機的散熱量約為150 kW，1 900 kW發(fā)電機的散熱量約為100 kW，鍋爐的散熱量約為40 kW。機艙墻壁為絕熱壁面；排煙風道由于保溫層隔熱作用，表面近似設置為恒溫60 ℃。

模型建立完成后，利用Airpak軟件對其進行網(wǎng)格劃分和獨立性驗證。監(jiān)測點溫度隨網(wǎng)格數(shù)量的變化見圖2。最終選擇設置各向最大網(wǎng)格尺寸，網(wǎng)格數(shù)量為282 046。入口設為等速度入口邊界，出口設為流量出口邊界條件，采用了壓力-速度耦合求解器、SIMPLE算法和二階迎風離散方法，通過前期數(shù)值模型對比選擇了標準-湍流模型。

圖2 網(wǎng)格獨立性驗證

4 模擬結果與分析

選取典型截面的溫度場、速度場，對3種不同風口高度的機艙通風系統(tǒng)進行分析比較。

4.1 溫度場

設備表面溫度分布見圖3。從圖3可以看出，設備表面存在著明顯的溫度梯度，由下到上逐漸遞減，可見機艙通風系統(tǒng)對艙內(nèi)設備表面有著明顯的散熱效果。但是，設備下表面的溫度依然較高，設備上表面溫度雖低，但也高于100 ℃，因此機艙通風系統(tǒng)只能排除部分設備產(chǎn)生的熱量，剩余熱量會使艙內(nèi)溫度升高。根據(jù)設備表面溫度分布，如果不是必要情況，工作人員應盡可能遠離艙內(nèi)工作設備，避免造成不必要的危險。圖3為不同送風高度對機艙內(nèi)設備表面溫度分布的影響。從圖3可以看出，3種送風高度下，設備表面溫度分布相差甚微，說明不同送風高度對設備表面溫度分布影響不大。

圖3 設備表面溫度分布

圖4為截面=1.73 m處不同送風高度的溫度分布，即工作人員正常工作時人體呼吸區(qū)所在截面的溫度分布。在該截面上，溫度分布都相對均勻，平均溫度40 ℃左右，低于柴油機驅(qū)動船舶機艙要求設計的最高溫度50 ℃，人員在該環(huán)境下可以正常工作，不會出現(xiàn)明顯不適感。

圖4 Z=1.73 m處機艙平面溫度分布

風口布置高度為6.5 m時，溫度分布均勻性明顯好于其他兩種風口布置高度。出現(xiàn)這種狀況的原因是風口高度為7.0 m時，此時距離截面=1.73 m較遠，所在截面的溫度分布受設備散熱的影響較大；而由于排煙風道的中心線高度為5.0 m，排煙風管半徑為0.8 m，因此排煙風口和高度為6.0 m送風口距離過近，部分新風剛從送風口送入機艙，隨即又通過排煙風道排出，造成了能源的浪費，能源利用率降低，設備正常工作的散熱排出效率下降，不能有效改善機艙內(nèi)的通風狀況。

4.2 速度場

圖5是截面=35 m處3種不同送風高度的送風口速度矢量圖。從圖中可以明顯看出，設備之間、設備與墻壁之間都產(chǎn)生了渦流。由于設備間的布置距離大小的關系，渦流數(shù)量和大小也相應受影響。渦流的存在增強了設備間空氣的擾動，有利于設備表面的散熱。

圖5 X=35 m處機艙平面速度分布

當送風風口高度為7.0 m時，空氣形成的渦流主要分布在機艙的中部，設備間的擾動相對于其他兩種送風風口高度的空氣擾動較弱，設備的散熱能力也相應較弱；當送風風口高度為6.0 m和6.5 m時，渦流主要分布在機艙中下部,但是送風風口高度為6.5 m時，渦流區(qū)平均速度為0.5 m/s左右，設備間渦流的擾動明顯更加劇烈，設備表面的散熱能力顯著，設備在此狀態(tài)下可以穩(wěn)定運行，因此船上工作人員在此環(huán)境下工作，不適性會有所降低。

3種工況的模擬結果見表3。由表3可知，當送風口布置高度從7.0 m下降至6.0 m時，設備表面平均空氣速度逐漸降低，說明設備表面換氣效率有所提高；送風口平均送風速度和排風口平均排氣速度相差不大，說明風口布置的高度對送、排風風口速度影響不大。

表3 3種工況的模擬結果

5 結論

(1)應用Airpak軟件對80 000噸級半潛船機艙通風系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，通過對溫度場、速度場進行分析，模擬結果可以對船舶機艙通風系統(tǒng)的設計提供參考。

(2)模擬結果表明：送風風口高度布置為6.5 m時，機艙內(nèi)的速度、溫度分布都較為合理，機艙內(nèi)設備可以穩(wěn)定運行，人員正常工作無明顯不適感。

(3)雖然在人員工作區(qū)域溫度分布對人員正常工作無明顯不適感，速度分布也趨于合理，但是設備表面溫度依然較高，長時間工作會使周圍環(huán)境迅速升溫，可以考慮在設備工作區(qū)域添加輔助散熱設備，加速設備散熱，保障設備穩(wěn)定運行。