船舶機艙機械通風數值模擬分析和優化設計

郭昂，郭衛杰，王馳明，封海寶

1 中國船舶科學研究中心，江蘇無錫 214082

2 廈門船舶重工股份有限公司，福建廈門 361000

0 引 言

某海監船系泊試驗過程中在進行機艙機械通風效用試驗時，發現存在機艙內部氣流分布不均、風速梯度變化較大、某些船員活動區域和操作區域溫度偏高、局部區域油氣味道太重且有氣流漩渦產生等問題，從而影響到船員工作的舒適性和安全性，且不利于機艙設備換熱。因此，有必要針對該船機艙機械通風系統進行數值模擬分析，以找出解決方案，從而為其它船舶機艙機械通風系統設計提供參考價值。本文基于CFD技術對船舶機艙機械通風系統進行分析，該技術是目前最節約、最有效的方法之一［1］。

1 船舶機艙機械通風系統的物理模型

以某海監船為研究對象，采用Pro/E來建立其機艙及艙內設備的三維模型。該海監船機艙參數如下：機艙長13 m，寬10 m，最高處5.1 m，且機電設備較多、管線復雜，因此，必須對機艙進行簡化，以使所建物理模型能夠適合數值模擬計算。

首先，根據船舶機艙段型線圖建立機艙外板物理模型，其中對機艙熱環境影響較小的油泵、水泵、油水管路及附件、配電板和控制器等機電設備可忽略不計。隨后，應對對艙內氣流流場和熱環境影響較大的設備物理模型進行建模：2臺主機及其排煙管、3臺發電機、燃油鍋爐、雙熱源洗滌裝置、空氣瓶和岸電穩壓裝置、鼓風機和進氣圍井等。物理建模過程中，這些影響較大設備的外形尺寸應與實際尺寸相同，進排氣圍井可用立方體代替，并對邊界做無厚度壁面處理。船舶機艙簡化后的幾何模型如圖1所示。

圖1 船舶機艙幾何模型Fig.1 Geometrical model of ship engine room

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型建立

本文采用FLUENT軟件對機艙氣相組織分布進行模擬分析，通風則選用k-ε湍流模型進行數值模擬。為提高模擬效率，以獲得較好的模擬效果，進行如下理想化處理［2］：

1）流體為不可壓縮的穩態流動過程；

2）除了機艙進排風和主機排氣外，艙內應密閉良好，沒有其他位置的漏氣現象；

3）該機艙使用“A-60”級絕緣材料包覆，并對其壁面和上甲板作絕熱處理，輻射傳熱可忽略不計。

2.2 邊界條件設置

利用Gambit網格化軟件對物理模型進行網格劃分，由于該機艙內部結構復雜，計算模型主要采用具有較強適應性的非結構網格進行劃分，并對重要換熱面和進排氣圍井進行適當網格加密處理，由此，得到網格數量為210萬。對網格質量描述如下：最小體積大于零，扭曲率在0.6～1之間的僅占1.19%。模擬工況為：夏季，船舶以主機MCR工況點全速航行，2臺副機則以額定工況并機運行。根據實際工況和設備性能進行邊界條件設置［3-6］，如表1所示。

表1 邊界條件設置Tab.1 Boundary conditions set up

3 模擬過程和結果分析

計算收斂之后，選擇船員經常巡視和操作區域的典型截面進行分析，并選取X=1.3 m，Y=0.7 m截面進行氣流速度場和溫度場觀察，如圖2和圖3所示。

將艙內主要部位（X=1.3 m）溫度的模擬值與系泊試驗的測量值進行比較，溫度測量點位置如圖4所示，比較結果如表2所示。

表2 溫度模擬值與測量值比較Tab.2 Temperature comparison between calculated values and measured values

由表2可以看出，模擬值和測量值存在一定差別，但誤差較小，在3%以下，從而證明了本文所建計算模型的正確性。

圖2 截面氣流速度場圖Fig.2 The section of air velocity field

圖3 截面氣流溫度場圖Fig.3 The section of air temperature field

圖4 溫度測量點位置Fig.4 Locations of temperature measured points

由圖2和圖3可以看出：

1）機艙后段氣流速度很小，存在氣流死區，并且，由于氣體不能有效流動而導致機艙后段廢熱無法排出，故溫度偏高，這與溫度分布圖（X=1.3 m）上該處顯示的溫度一致。同時，機艙后段右側存在氣流大漩渦，且兩側分別是滑油艙和污油艙，后側是2個燃油艙，該機艙后段右側會有油霧匯集且無法正常排出［7-8］。

2）機艙前側風口下方氣流會產生很大靜壓和動壓，且平均氣流速度大于9 m/s，從而產生較大噪聲，人通過此處會感覺非常不適。同時，左側風口距離燃油鍋爐較近，部分新風直接吹向爐體，這會導致爐體產生熱應力和熱量損失。

3）機艙前側氣流速度高、溫度較低；后側氣流速度慢、溫度較高，且機艙氣流速度梯度變化大，溫度最高的地方停留在2臺主機和2臺副機之間的區域：50～54℃。這是因為：根據《機械設備計算書》可知，主機燃燒所需氣流量約是軸流風機氣流量的一半，而進氣圍井離主機進氣濾器較近，會產生氣流短路，這就使得新鮮空氣無法形成有效的換熱回路就被排出［9］。尤其是2臺副機和2臺主機之間，這是主、副機顯示器和控制器的所在位置（溫度較高），不利于電子設備的長期使用和人員操作。同時，其也不滿足海船規范對于機艙溫度的要求。

上述模擬結果與該船機艙機械通風系統進行系泊試驗時得到的結果相一致，因此，需要對機艙機械通風系統采取及時有效的改進措施，以提高船舶安全性和舒適性。

4 通風系統優化方案

優化措施如下：將機械送風口改為機械抽風口，風機通風量保持不變；將壓力進口改為壓力出口，保證負壓在人的舒適度范圍內；其它邊界條件不變。同樣，進行上述非結構網格劃分和求解設置，計算收斂后，觀察相同位置的速度場和溫度場，如圖5～圖6所示。

由圖5和圖6可以看出：

1）機艙后側的氣流死區流速提高3～4.5 m/s，該處溫度由42℃降低到33℃；

2）機艙整體氣流分布更加均勻，速度梯度明顯減小，氣相組織明顯改善，人活動區域的最高流速為7.2 m/s（出現在進風口底部），抽風口底部流速降為3～4 m/s，主、副機之間的活動區域溫度降為37～40℃。這是因為：采用機械抽風加自然進風的通風形式后，新鮮空氣的換熱行程增加，從而避免了機艙進風和主機的進風短路，氣相組織湍流特性增加。同時，優化前的進氣圍井截面平均流速為-3.85 m/s（圖2），優化后的該處平均流速為7.6 m/s（圖4），可知，機艙實際進風量增加了近50%，這是由于主、副機進風端的抽吸作用所致。

但是，在機艙中段右側出現了較大氣流漩渦，氣流速度為0～1 m/s，使得該處溫度為47～53℃，因此，需對此處進行改進。可在該處上甲板增加1個600 mm×600 mm的新增風口，如圖7所示。

圖5 優化后截面氣流速度場圖Fig.5 The section of air velocity field after optimization

圖6 優化后截面氣流溫度場圖Fig.6 The section of air temperature field after optimization

圖7 新增風口布置圖Fig.7 The arrangement of the added inlet

與上述設置相同，計算收斂后，觀察相同位置的氣流速度場、溫度場和靜壓場，如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10可以看出：

改動后的氣流分布更加均勻，速度梯度明顯減小，氣相組織明顯改善，最大風速在機艙進風口處，為5.5 m/s。同時，機艙內部沒有氣流漩渦和氣流死區，溫度分布明顯改善，工作區域絕大部分為34～40℃之間。溫度最高處在左主機和鍋爐之間，約50℃，但是該處地方狹窄，沒有需要經常操作的機電設備，因此可以接受。此外，機艙環境負壓為-80～-66 Pa，在人的舒適度范圍內［10］。

布置新增風口時要注意避開上甲板系泊設備及其工作區域，可以考慮采用自然通風頭或者進氣濾水百葉窗的型式，這樣施工方便、安全美觀，且滿足規范要求。

圖8 對優化方案進行改動后的截面氣流速度場圖Fig.8 The section of air velocity field after alteration to the optimization plan

圖9 對優化方案進行改動后的截面氣流溫度場圖Fig.9 The section of air temperature field after alteration to the optimization plan

圖10 對優化方案進行改動后的截面氣流靜壓場圖Fig.10 The section of air static pressure field after alteration to the optimization plan

5 結語

本文利用CFD技術對機艙內的通風情況進行數值模擬，得到了機艙氣相組織的詳細分布，并利用FLUENT軟件對改進方案進行模擬、分析，其結果為工程設計提供了參考依據。通過模擬分析可知：

1）對于某些船舶的機艙機械通風系統，可以采用機械送風取代機械抽風的換氣模式，這樣能夠取得更好的供氣換熱效果。

2）對機械抽風和自然進風組合的機艙機械通風形式，可以進一步優化處理，通過在上甲板開一個新增風口后，人員活動區域的溫度更加符合設計和規范要求。

3）有效簡化機艙物理模型，并合理設置機電設備和艙壁邊界條件是進行機艙通風數值模擬的有效手段。

隨著計算機性能的提高和設備資料的完善，可以建立更為真實的機艙模擬，以提高模擬效果。此外，機艙通風的優化方式有多種，如改變風口位置、大小、數量，在艙內增加隔板，或采用空氣射流技術等，這些有待進一步研究。

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