船用脫硫系統(tǒng)導流裝置流場和阻力特性

卞修濤，蔡乾亞，陳 樂，羅亞萍，繆文杰

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引言

船舶海運占國際貿易總量的90%，其巨大的貨物運輸量也帶來了嚴重的環(huán)境污染問題，數(shù)據(jù)表明船舶行業(yè)NOX排放量占全球總量的10%，SOX排放量占總量的3%[1]；隨著國際貿易量的逐年增長，船舶行業(yè)對氣候的影響將愈加明顯。關于海洋船舶酸性氣體排放問題，已有多種脫硫方法[2-3]，其中一種有效且廣泛使用的方法是在船舶排氣系統(tǒng)中加裝脫硫裝置[4-5]，將原排放至大氣的酸性氣體進行洗滌后部分或全部排入海中。針對該部分酸性洗滌水，考慮到近海環(huán)境污染問題，多國已出臺規(guī)定并限制船舶排放洗滌水的pH值，因此，在船用脫硫系統(tǒng)出口處加裝導流裝置十分必要，能夠降低洗滌水排出后的流速和壓力，增強酸性洗滌水與弱堿性海水摻混，確保酸性洗滌水排放達標。

當前，多種船用脫硫系統(tǒng)已加裝各類導流裝置，但不同流動工況下的裝置壓損特性尚不明確，因此，多數(shù)脫硫系統(tǒng)管路布置仍使用能量富裕的方式，以彌補導流裝置對流動的阻滯作用，而這必將導致船舶管路系統(tǒng)額外的能量損耗，且管路流體能量富裕不利于洗滌水與海水摻混。相比于試驗方法，數(shù)值求解方法能夠快速獲取高精度計算結果，但采用三維計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法獲取脫硫系統(tǒng)管路阻力受到計算資源限制，其中，脫硫系統(tǒng)整體管路全三維CFD計算需要巨大的網(wǎng)格量支撐，且不同流動工況下的大量CFD計算將耗費巨大的計算資源。此外，脫硫系統(tǒng)一維管網(wǎng)計算雖然對計算資源要求較低，但缺少不同流動條件下導流裝置的壓力損失或損失系數(shù)而無法進行。因此，為合理設置脫硫系統(tǒng)管路流量和壓力等參數(shù)，有必要對導流裝置流場和阻力特性進行分析。

基于上述問題，本文結合一維管網(wǎng)分析方法計算資源需求量低和三維數(shù)值模擬方法計算結果精度高的優(yōu)勢，對照閥門等管路部件損失系數(shù)變化特性，研究導流裝置流場和阻力特性，獲取裝置局部總壓損失系數(shù)，為脫硫系統(tǒng)壓力-流量關系匹配提供基礎，為脫硫系統(tǒng)管路布置提供指導。

1 數(shù)值方法

1.1 幾何模型和邊界條件

導流裝置幾何模型見圖1。已有多艘船舶安裝該導流裝置，為詳細分析其內部流場特性，本文計算域忽略真實管路中彎頭等裝置影響。為能夠獲取穩(wěn)定、可靠的計算結果，以出口管徑作為特征長度，入口截面位于導流裝置上游1倍管徑處，出口截面位于裝置下游3倍管徑處。

圖1 CFD 數(shù)值仿真幾何模型

對于管內流動仿真，使用圖1(a)所示坐標系，其中z為流動方向，x為導流器側視圖方向，y為豎直方向，同時，x和y坐標方向與導流裝置幾何結構存在平行關系。導流裝置具體幾何結構在圖1(b)中給出，導流裝置位于管路擴張段，由截面為等腰三角形的2個三棱柱相交構成，等腰三角形夾角α為106°，其他幾何參數(shù)見表1。

表1 幾何參數(shù)

在實船設計中，導流裝置靠近脫硫系統(tǒng)管路出口，其具體位置如圖2(a)所示，設計工況下，每個出口所通過平均質量流量為125 kg/s，船舶運行時管路出口位于水下2 m處，因而圖1(a)計算域CFD仿真中出口設置為壓力邊界條件，給定相對壓力為1.95×104Pa。

圖2 邊界條件求解方案

由于受到脫硫系統(tǒng)整體管路流動影響，圖1(a)計算域入口處總壓參數(shù)難以獲取，CFD計算入口處需給定質量流量邊界。

脫硫系統(tǒng)管路整體通流能力采用一維管網(wǎng)計算方法進行求解，計算軟件選取為Applied Flow Technology公司的Fathom 9模塊，其管網(wǎng)阻力分析模型在圖2(b)中給出，圖中P1～P8為各段管道結構，J1表征流動入口，該系統(tǒng)中管路入口與脫硫塔出口相連，J8和J9表征流動出口，位于水下2 m處，J2、J4和J5為變徑段，J3為連接三通，J6和J7為管路閥件。

在圖1(b)所示的擴張段處，導流裝置的存在使流動通流面積變?yōu)閳A管面積的1/3，且裝置交叉點位于管道主流區(qū)，假定導流裝置節(jié)流效應明顯，局部總壓損失設置為10 kPa。

管網(wǎng)計算結果表明，圖2(a)中脫硫系統(tǒng)管路極限質量流量可設置為209 kg/s，為研究不同流動工況下導流裝置的局部阻力系數(shù)，入口邊界條件設置如表2所示。圖1(a)中導流裝置計算域所有壁面均采用無滑移邊界條件。

1.2 湍流模型及網(wǎng)格設置

求解器采用商用軟件Simcenter STAR-CCM+12.02，數(shù)值求解在并行計算集群中實現(xiàn)，表2中結果表明管路入口雷諾數(shù)均在105量級，參考管路閥門流場與阻力特性計算方法[6-7]并結合軟件功能，湍流求解選用雷諾平均方法中可實現(xiàn)的k-ε湍流模型。

表2 局部阻力系數(shù)工況入口邊界設置

為保證計算結果具有較高準確度，全局采用多面體網(wǎng)格，考慮網(wǎng)格布局展示的清晰度，以10萬網(wǎng)格為例進行展示，結果見圖3，固體壁面使用棱柱層網(wǎng)格生成方法以形成邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格加密過程中，邊界層網(wǎng)格和全局網(wǎng)格同時進行均勻加密。在圖1(a)所示計算域中，沿坐標軸z方向選用距離出口0.5D位置處截面作為特征截面，以該截面質量流量平均后的總壓結果作為特征參數(shù)，分析網(wǎng)格無關性，質量流量平均過程在式（1）中給出。

圖3 網(wǎng)格劃分（10 萬網(wǎng)格單元）

式中：w為坐標z方向速度；ρ為流體密度；dξ為面微元或線微元；?為物理量?的質量流量平均結果。網(wǎng)格無關性驗證結果見圖4，當全局網(wǎng)格加密至73萬時，出口特征截面處總壓參數(shù)已基本保持不變，后續(xù)計算將采用73萬網(wǎng)格進行。

圖4 網(wǎng)格無關性驗證

2 導流裝置流場與阻力分析

2.1 流場分析

圖5為設計工況下流場流線分布結果，導流裝置對流場產(chǎn)生劇烈擾動，流體流經(jīng)導流裝置后形成多個的漩渦，漩渦影響區(qū)域較大，對流動產(chǎn)生阻滯作用。由于設計工況下流場整體流動速度相對較低，導流裝置節(jié)流作用對速度幅值影響有限。

圖5 設計工況流場流線分布

圖6為中截面處流場總壓分布。由圖6可知：導流裝置的節(jié)流效果對流場總壓影響十分明顯，在節(jié)流裝置后形成一個雙峰低壓區(qū)，相比于入口位置，出口截面處總壓參數(shù)相對較低，出口處流體總壓參數(shù)降低有利于縮小酸性洗滌水的影響區(qū)域，降低酸性洗滌水對航行海域的影響，確保脫硫系統(tǒng)洗滌水排放達標。

圖7為x=0.3D處流場總壓分布結果，相比于圖6中的結果，靠近流場出口處總壓較低，主要由于受到管壁邊界層影響，總壓損失較高；同時，流場下游低壓區(qū)的雙峰現(xiàn)象減弱，主要由于流動遠離導流裝置幾何交叉點，遠離渦結構核心區(qū)，受到豎直方向導流裝置的影響減弱，在后續(xù)流動研究中可對導流裝置進行優(yōu)化，進一步增大導流裝置處的壓降。

圖6 總壓分布，x=0

圖7 總壓分布，x=0.3D

2.2 阻力分析

在圖1(a)的計算域中沿坐標軸z方向，以距離入口和出口0.5D位置作特征截面，應用總壓損失系數(shù)ζ表征導流裝置局部阻力特性，其計算過程在式（2）中給出，其中：ΔPt為入口特征截面和出口特征截面總壓差；另外，以入口特征截面處面質量流量平均后的密度及速度幅值作為特征參數(shù)，對總壓損失進行無量綱化。

做出不同質量流量入口條件下導流裝置阻力特性結果見圖8，圖8(a)為導流裝置總壓損失隨質量流量變化結果，對于本文特定幾何模型的不可壓縮流動而言，圖8中的總壓損失隨質量流量呈指數(shù)關系變化，符合損失和流速的平方關系理論，也表明了計算結果的可靠性。

圖8(b)為導流裝置總壓損失系數(shù)ζ隨無量綱雷諾數(shù)變化特性曲線，總體而言，導流裝置總壓損失系數(shù)隨雷諾數(shù)變化較小。在選取工況條件下，裝置總壓損失系數(shù)變化區(qū)間為[3.64, 3.70]，若以3.64為基準，其相對變化幅度為1.6%，在后續(xù)管網(wǎng)分析中可調用導流裝置總壓損失系數(shù)3.64用于管路阻力計算。此外，導流裝置損失系數(shù)隨雷諾數(shù)增大的變化關系為先降低后逐漸趨向平穩(wěn)，若將導流裝置和閥門歸于管路通用元件，其局部損失系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線與電磁閥基本一致[8]，也相應表明計算結果的合理性。

圖8 流動損失隨來流參數(shù)變化特性

3 結論

本文結合一維管網(wǎng)分析方法和三維數(shù)值模擬方法計算優(yōu)勢，研究典型導流裝置流場與阻力特性，結果表明導流裝置節(jié)流效應明顯，可顯著降低管路流場總壓；在選取的流量范圍內，裝置總壓損失系數(shù)幅值隨雷諾數(shù)變化幅度較??；管網(wǎng)計算分析中可將該導流裝置總壓損失系數(shù)設置為3.64。針對導流裝置結構模型及本文計算結果的可靠性，后續(xù)可相應優(yōu)化并采用PIV等試驗方法進一步驗證計算結果。