基于CFD的閉式機艙通風系統三維數值模擬

蔣仕偉，徐筱欣

上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200030

0 引 言

機艙通風系統的主要作用是：一方面滿足所有設備燃燒所需的空氣量，帶走機艙設備散發出來的熱量；另一方面為機艙工作人員提供適宜、安全的工作環境。同時，還要降低外界空氣對機艙的污染，以及防止出現過高、有損于熱敏感元件正常工作的溫度［1］。常見的機艙通風系統是開式的，即用風機直接從外界吸入新鮮空氣，然后通過布風口送到機艙內，以維持機艙內氧氣量與熱量的平衡［2］。隨著科學技術及現代武器裝備的發展，未來戰爭對艦船的作戰能力提出了更為嚴格的要求。為了使艦船具有抗原子、生物和化學污染的能力，需要將傳統的開式機艙通風系統改成閉式的。因機艙內主、輔機和鍋爐燃燒所需要的氧氣量很大，因此需要單獨直接從外界進氣和向外界排氣。機艙內的熱空氣是與海水在海水空氣冷卻器中換熱，冷卻后再由布風口送到機艙內［3］，所以，閉式機艙通風系統的熱量通過海水帶出機艙外。

目前，在國內外船舶機艙通風方案設計中，通風量的確定以及進、排氣風口的布置均根據經驗而安排，并沒有一個準確的方法，因此，機艙內具體的溫度分布和氣流組織無法確定，機艙通風效果也是在船舶建造完畢后進行現場測量才知道，以至于最終很可能會達不到良好的效果甚至造成大量的返工等嚴重后果，這都將大大增加船舶的建造周期和建造成本，影響船舶質量。如果能提前了解到機艙的通風效果，然后據此改進送風口的布置和風量的分配，以形成合理的氣流組織，從而達到良好的通風目的，將具有重要的意義［4］。

隨著計算機性能的提高，以及計算流體力學（CFD）的不斷發展，數值模擬成為船舶工程領域一種強有力的研究手段與方法［5］，而將CFD 技術應用到機艙通風設計的卻很少，而且針對的也都是常見的開式機艙通風系統。本文將主要采用商業CFD 軟件FLUENT 對閉式機艙通風系統進行數值模擬［6］，以找出初步設計方案的問題并加以改進。

1 計算模型、網格劃分及邊界條件

1.1 計算模型及三維物理模型簡介

數值計算基于不可壓縮流體的Reynolds 平均動量方程和連續性方程［7］，即

式中：ui(i=1，2，3) 為時均速度；ρ 為密度；p 為壓力；μ 為動力粘性系數；為Reynolds 應力。

由Boussinesq 假設，Reynolds 應力模型為：

式中：μt為渦粘系數；k 為湍動能；Cμ為常數；ε為湍流脈動耗散率。

使方程封閉，求出k 和ε 的方程：

式中：C1ε和C2ε為常數；σk，σε分別為湍動能及耗散的湍流Prandtl 數；Gk為由平均速度梯度引起的湍動能生成。

在標準k-ε 模型中，根據Launder 等的推薦值及其后的試驗驗證，模型常數的取值分別為：

采用有限體積法進行數值離散，速度壓力修正采用壓力糾偏法（SIMPLEC）算法，對流項按照二階迎風格式處理，搭接區間的信息交換用雙線性差值，矩陣求解器使用MILUCG-STAB［8］。迭代計算中，各返程的殘余量不大于10-3。

根據機艙通風系統的初步設計方案，在中間兩臺主柴油發電機組及兩側輔柴油發電機組的后側各布置一個70 cm × 70 cm 的送風口，對于2 甲板上的鍋爐，也各自在其側上面布置一個送風口，出風口則布置在機艙側面，忽略機艙中管系及冷卻器等小型設備對氣流的影響，并將其散熱簡化為均勻分布在花鋼板上的熱流量。利用三維設計軟件建立的機艙通風系統模型如圖1 所示。

圖1 機艙通風系統簡化三維模型Fig.1 Simplified 3D model of cabin ventilation system

1.2 計算網格劃分

采用非結構化網格對計算區域進行離散。考慮到機艙壁面和設備表面邊界層的影響，對機艙壁面和設備表面進行了加密處理。參數設定和網格疏密程度經多次試驗后得以確定，最終形成了較好的計算網格，如圖2 所示。

圖2 計算網格的劃分Fig.2 Computational grid division

1.3 邊界條件的設定

根據《柴油機船舶機艙通風設計條件和計算方法》（ISO 8861-1995）的要求，以及所選用的海水—空氣冷卻器，設定出口的排風溫度為299 K，共設6 個布風口，4 個出風口，流速為10 m/s；外界大氣溫度設置為308 K（35 ℃），海水溫度設置為293 K（20 ℃），室內溫度設置為312 K（惡劣情況下）。2 臺主機的散熱量分別為200 kW，2 臺輔機的散熱量為100 kW，鍋爐的散熱量為15 kW。

2 計算結果分析及結構改進

機艙內平行船舯的平面，分別取y 為1 m 和4.16 m 處，即經過輔機縱剖面上的溫度場分布如圖3 所示，經過主機縱剖面上的流場分布如圖4所示。

圖3 輔機處剖面溫度分布Fig.3 Temperature distribution at the cross-section of auxiliary engine

圖4 主機處剖面流場分布Fig.4 Airflow distribution at the cross-section of engine

平行xy 平面，取z = 2.8 m，即花鋼板上1.6 m的附近，可視為人員活動區域，其流場、溫度場分布如圖5 所示。

由上面的結果可看出存在以下問題：

1）中間2 臺主機上方的送風口位置太低，以致送出的大部分氣流被主機表面阻擋，速度衰減很快，主機上方幾乎沒有冷氣到達，自然也就無法有效、大面積地與熱源接觸從而達到帶走熱量的目的。

圖5 z=2.8 m 處溫度分布Fig.5 Temperature distribution at z=2.8 m

2）在機艙后壁及主、輔機的后表面上，因為沒有合理地設置排風口，致使此處的氣體無法有效排出，形成了明顯的氣流漩渦，所以，此處的空氣新鮮度較差，而且主機后端的氣溫偏高。

3）2 臺主機中間的熱流量很大。這是由于氣流受阻以及流速的自然衰減，使得沒有足夠的冷氣送到這里從而導致溫度較高。雖然這里不是人經常活動的地方，但也會影響設備的正常運轉，存在較大的安全隱患。在主機與輔機之間也存在同樣的問題，只是沒有主機間的那么明顯。

4）在機艙前面，由于送風口距離此處太遠，氣體流動性很差且形成了漩渦，因而此處的空氣質量最差，油氣、污物等容易在此處聚集，氣體溫度很高，存在較大的安全隱患。所以，此處的氣流組織必須加以改進。

5）從機艙整體的溫度分布來看，平均溫度為49 ℃，顯然太高，且進風量也有些不足，應該增加海水—空氣冷卻器以產生更多的冷空氣，從而將機艙溫度降至合理溫度。

針對初步設計方案存在的問題，應進行以下改進：

1）在機艙后壁增加兩個排風口；

2）升高主機上面兩個布風口的位置，使冷氣能到達更遠的地方；

3）增加海水—空氣冷卻器的臺數，并在機艙前面增加3 個布風口，以有效帶走主、輔機間的大量熱量，同時配合主機后上方的布風口形成一個很好的氣流組織，從而帶走污濁的空氣與熱量，改善機艙環境；

4）將左舷前面的排風口和右舷后面的排風口改成布風口，使氣流在水平面上形成一個大循環，從而有效帶走機艙四周的熱量及污濁空氣。

改進后的三維模型如圖6 所示。

圖6 改進后的機艙通風系統簡化三維模型Fig.6 Improved simplified 3D model of cabin ventilation system

改進后，對應的溫度場和流場分布如圖7～圖9 所示。改進后的機艙通風系統主要是指前壁花鋼板上的3 個送風口、1 個排風口，以及左、右舷上的送風口，該系統能很好地誘導空氣經過主、輔機表面并從下面排出，從而形成一個合理的氣流。該方案消除了原方案產生的多處、局部、較大的氣流漩渦。改進后，在機艙后壁上增加的2 個排風口能大大減小最初方案中形成的氣流漩渦，從而有效排出污濁空氣。此外，將2 臺主機后上方的布風口升高至合理的位置也增加了冷氣對主機的覆蓋范圍，從而大大增加了對主機散熱的吸收量。

圖7 改進后的輔機處剖面溫度分布Fig.7 Temperature distribution at the cross-section of the improved auxiliary engines

從表1 以及圖10、圖11 中考察位置沿y 軸和x 軸的溫度變化情況可以看出，機艙的整體溫度以及局部溫度均有明顯下降，氣流速度有明顯增加，氣流組織與通風效果大大改善。根據《柴油機船舶機艙通風設計條件和計算方法》（ISO 8861-1995）中的經驗公式，要想讓機艙內的溫度達到適合的溫度，初步估算機艙內最低的通風量為Q = 31.78 m3/s，從而可以算出布風口的個數N = 6.3。這說明如果初步方案設計的通風量不足，必將導致機艙溫度偏高，而數值計算的結果也顯示出機艙的平均溫度約為47℃（一般不應超過45℃）。由圖10、圖11 及表1 還可看出，由于增加了進入機艙的進風量（海水—空氣冷卻器的數量，或者功率也要相應增加），同時改善了機艙通風系統的氣流組織，因而有效降低了機艙的整體溫度，使得機艙內的整體環境大大改善。

表1 改進前后對比Tab.1 Comparison of ventilation effectiveness before and after improvement

圖10 y 方向溫度變化Fig.10 Temperature variation in the y direction

圖11 x 方向溫度變化Fig.11 Temperature variation in the x direction

3 結 論

由以上分析可得出以下結論：

1）合理的進風量與氣流組織是影響機艙通風效果的決定因素。布風口和排風口的位置對氣流組織以及通風效果具有重要影響，在實際的系統設計過程中，應充分考慮送風角度及送、排風高度對機艙通風效果的影響，盡量減少氣流漩渦，避免氣流聚集，增大氣體流動范圍。在溫度較高的局部，有針對性地增加布風口效果較好。

2）采用CFD 軟件ANSYS FLUENT 對閉式機艙通風系統進行數值仿真，并在此基礎上對系統加以改進是可行的，在模型的離散程度足夠高的情況下，可以得到比較可靠的結果，這對通風系統的方案設計具有指導意義。

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