船舶主機(jī)特殊排氣消音器及其排氣系統(tǒng)流阻設(shè)計(jì)

楊衛(wèi)國(guó)

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室 上海200011）

0 引 言

在船舶動(dòng)力裝置中，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣噪聲是主要的噪聲源之一，因此必須對(duì)排氣系統(tǒng)配置消音設(shè)備進(jìn)行降噪［1］。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，船舶使命任務(wù)多樣化，特別是近年來(lái)隨著噴水推進(jìn)裝置的應(yīng)用，小噸位大功率高航速船舶得到較大發(fā)展。由于高速船舶空間緊張，大功率發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備布置空間受限，為了在確保性能的前提下解決好各方面矛盾，消音設(shè)備只能特殊設(shè)計(jì)，以解決消音器布置、降噪指標(biāo)及背壓損失間的矛盾。由于數(shù)值模擬具有成本低、效率高、周期短的優(yōu)點(diǎn)，并且能提前預(yù)測(cè)，因此在工程實(shí)踐中得到了日益廣泛的應(yīng)用［2-5］。本文介紹一款船舶主推進(jìn)柴油機(jī)特殊排氣消音器的設(shè)計(jì)，解決了狹小空間的布置矛盾，并采用Fluent軟件模擬排氣系統(tǒng)內(nèi)部流場(chǎng)、計(jì)算排氣系統(tǒng)流動(dòng)阻力損失，結(jié)果滿足不大于2 200 Pa的系統(tǒng)阻力設(shè)計(jì)要求。

1 排氣系統(tǒng)相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

圖1是原發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)布置方案圖。

圖1 原發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

柴油機(jī)增壓器出口是541 mm×208 mm的方形管口，需要2個(gè)方變圓異徑管將排氣管變?yōu)棣?00圓管，然后匯合，再經(jīng)φ850排氣管排出舷外。由于實(shí)際空間的限制，圖1這種傳統(tǒng)的布置方式將無(wú)法安裝排氣消音器。該船主機(jī)功率在5 000 kW，排氣噪聲量級(jí)高，若不安裝排氣消音器，則對(duì)環(huán)境影響嚴(yán)重。為了在有限空間內(nèi)對(duì)排氣系統(tǒng)進(jìn)行合理布局并改善排氣系統(tǒng)噪聲排放水平，本文根據(jù)原方案中φ600圓管彎管所占用的寬度，將舷側(cè)φ850排出口進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，設(shè)計(jì)了一款異形主機(jī)排氣消音器，消音器布置空間為3 700 mm×2 000 mm×1 300 mm，其布置如圖2所示。

圖2 異形主機(jī)排氣消音器

由于消音器是根據(jù)機(jī)艙空間量身定制，這樣的布置方式不僅解決了傳統(tǒng)消音器及排氣系統(tǒng)在本船無(wú)法布置的不足，同時(shí)可有效提高主機(jī)排氣噪聲的控制水平。但為了達(dá)到理想的設(shè)計(jì)航速，要求主機(jī)排氣系統(tǒng)阻力控制在不大于2 200 Pa的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

2 排氣消音器流場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用Fluent軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行模擬，需要建立數(shù)學(xué)模型。流體作為物質(zhì)的一種運(yùn)動(dòng)形態(tài)，必須遵循客觀規(guī)律，如質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒等，這些規(guī)律可以通過(guò)數(shù)學(xué)公式來(lái)表示［3］，對(duì)流體流動(dòng)利用Boussinesq渦旋粘性假設(shè)，忽略質(zhì)量力的可壓縮粘性氣體，排氣系統(tǒng)內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)Navier-Stokes方程組描述如下：

·連續(xù)方程

·能量方程

·狀態(tài)方程

·湍流方程

湍流方程采用k-ε方程，其中忽略了重力影響，決定于浮力的湍流生成G設(shè)為0，得到其輸運(yùn)方程為：

式中：ρ為氣體密度；ui為氣體速度分量；p為氣體壓力；e為單位質(zhì)量的內(nèi)能；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；τij為粘性應(yīng)力張量；T為溫度；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)；μT為渦旋粘性系數(shù)，μT=ρCμ；Gk為湍動(dòng)能，Gk=μTS2，式中）。 根據(jù) Launder B E等人的推薦值及后來(lái)學(xué)者實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，湍流模型常數(shù)取值為：C1ε=1.44，C2ε=1.92，Cμ=0.09，σk=1.0，σε=1.3。

2.2 物理模型

要進(jìn)行數(shù)值模擬首先要?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格劃分的質(zhì)量也影響計(jì)算的收斂性。針對(duì)主機(jī)消音系統(tǒng)建立計(jì)算模型，包括消音器進(jìn)口下端的方變圓、消音器以及消音器出口后的排氣管路（見圖3），并對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖3 排氣系統(tǒng)計(jì)算模型

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有優(yōu)越的幾何靈活性，可以擬合任意的復(fù)雜形狀，其隨機(jī)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)行網(wǎng)格自適應(yīng)，而結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格適用于結(jié)構(gòu)規(guī)則的區(qū)域。由于計(jì)算模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在消音器內(nèi)部采用了非結(jié)構(gòu)混合的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 排氣系統(tǒng)計(jì)算網(wǎng)格圖

2.3 邊界條件

根據(jù)增壓器出口廢氣流量21.2 m3/s以及氣流平均密度0.58 kg/m3，可以計(jì)算出排氣質(zhì)量流量為12.3 kg/s。由于有兩個(gè)進(jìn)口，因此取進(jìn)口質(zhì)量流量為6.15 kg/s；出口設(shè)為壓力出口，取一個(gè)大氣壓為出口背壓，在計(jì)算中此值設(shè)置為參考?jí)毫Γ槐诿鏃l件設(shè)置為壁面無(wú)滑移。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 排氣系統(tǒng)阻力計(jì)算結(jié)果

排氣系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，產(chǎn)生局部阻力損失的部位較多。為了計(jì)算不同部位阻力損失大小，因此需要取一些截面壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。本文除入口和出口外，還取了6個(gè)內(nèi)部截面，如圖2所示。

根據(jù)模擬結(jié)果可得排氣消音器各部分壓力及壓力損失，如表1所示。

表1 排氣系統(tǒng)各部分總壓損失表

為了考核主機(jī)排氣消音器本身的阻力性能，在入口流場(chǎng)均勻的情況下，計(jì)算得到主機(jī)排氣消音器的阻力損失約為932 Pa；由于方變圓長(zhǎng)度較小，導(dǎo)致消音器入口處流場(chǎng)不均勻，使得消音器的阻力損失有所增加，系統(tǒng)匹配計(jì)算中消音器的阻力約為1 302 Pa。

總體而言，在入口流場(chǎng)均勻的情況下，估算排氣系統(tǒng)總的阻力約為1 571 Pa，在入口流場(chǎng)不均勻的情況下，計(jì)算排氣系統(tǒng)總阻力約為1 941 Pa。

3.2 流場(chǎng)結(jié)果分析

圖5和圖6分別顯示了排氣系統(tǒng)內(nèi)部截面速度和壓力分布，可以看出在入口處速度較高，進(jìn)入膨脹通道后，直接沖擊在頂板上，造成流場(chǎng)速度不均，在進(jìn)入右邊的膨脹腔后，速度降低且變均勻，在彎頭及截面突變處，壓力變化較大，說(shuō)明阻力損失主要受局部阻力影響。

圖5 排氣系統(tǒng)內(nèi)部速度截面分布

圖6 排氣系統(tǒng)內(nèi)部靜壓截面分布

圖7和圖8分別是排氣系統(tǒng)內(nèi)部截面速度和壓力分布，可以看出由于內(nèi)部導(dǎo)流板的作用，形成了多腔細(xì)連通道，增加了膨脹腔數(shù)目，有利于消減噪聲。

圖7 排氣系統(tǒng)內(nèi)部速度截面分布

圖8 排氣系統(tǒng)內(nèi)部靜壓截面分布

4 結(jié) 論

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出：在消音器入口流場(chǎng)均勻的情況下，消音器本體阻力約為932 Pa，排氣系統(tǒng)總阻力約為1 571 Pa；因消音器入口流場(chǎng)不均勻，消音器阻力約為1 302 Pa，總阻力約為1 941 Pa。經(jīng)試航測(cè)量，在有效降低排氣噪聲的情況下，主機(jī)排氣系統(tǒng)總阻力約為1 600 Pa，說(shuō)明消音器在實(shí)際工作中入口流場(chǎng)比較均勻。因此，所設(shè)計(jì)的消音器及整個(gè)排氣系統(tǒng)的阻力能滿足不大于2 200 Pa設(shè)計(jì)使用要求。

［1］張俊佳.船用柴油機(jī)排氣消聲器聲學(xué)及流動(dòng)特性研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

［2］王少康.消聲器內(nèi)三維流動(dòng)的數(shù)值模擬研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文.

［3］劉鵬飛.汽車排氣系統(tǒng)的聲學(xué)性能及流場(chǎng)特性的樹枝分析研究［D］.合肥：合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文.

［4］黃華.基于Fluent的消聲器設(shè)計(jì)及校核計(jì)算［J］.南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，9（2）：50-54.

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［6］王福軍.計(jì)算流體力學(xué)分析—CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.