結構風管通風分析與優化研究

姚正鋼， 倪崇本， 姚 雯

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮江 212003； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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結構風管通風分析與優化研究

姚正鋼1， 倪崇本2， 姚 雯2

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮江 212003； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

主要選取海洋工程平臺內機艙和變壓器間的結構風管作為載體，運用HyperMesh和Fluent數值模擬軟件作為工具，對通風管道系統進行流場分析，繪制管道阻力曲線和風管內速度矢量，對結構風管進行優化，并與優化前的管道通風系統進行對比，以此來提升通風效率。通過數值模擬可以為通風系統的設計提供依據和參考。

計算流體力學 氣流組織 數值模擬 優化

0 引言

通風管道就是把符合衛生標準的新鮮空氣輸送到各艙室需要的地點，把艙室內局部地區或設備散發的污濁、有害氣體直接排送到艙外或經凈化處理后排送到艙外的管道。管道系統包括通風除塵管道、空調管道等，作用是把通風進氣口、空氣的熱、濕及凈化處理設備、送(排)氣口、部件和風機連成一個整體，使之有效運轉[1]。通風管道系統設計的目的是，在滿足規范要求和保證使用效果的前提下，合理組織氣體流動，實現管道阻力最小，使系統制造和日常運行維護費用最優。

船舶、海工結構風管，是一種附著在船舶結構上的通風管道，結構風管作為通風系統的主通道，不但可以節省空間，而且加強了結構強度。結構風管大部分為矩形，較方便制作，不同的區域對于結構風管的形狀、厚度有不同的要求，它的作用主要是通風換氣。船舶機艙通風的目的是降低機艙溫度，排除機艙內的油氣和水蒸氣，向機艙內供應充足的新鮮空氣，從而保證動力裝置的正常工作以及改善機艙管理人員的工作條件和衛生條件。計算流體力學(簡稱CFD),是用電子計算機和離散化的數值方法對流體力學問題進行數值模擬和分析的一個新分支，應用領域非常廣泛。隨著CFD技術的發展，已經在模擬通風分析方面實現了應用，通過對船舶的通風系統進行數值模擬，分析結構風管內的氣流組織形式，提出氣流組織的優化方案。對結構風管建立流體數學模型和設置邊界條件，通過模擬的方法來實現對通風系統的分析，為通風系統的設計、優化提供支持[2]。

1 風管流場建模技術分析

結構風管是通風系統的主通道，由風機將外界新鮮空氣送到各艙室內，與艙室內氣體進行交換，排除有毒有害氣體，同時降低艙室內的溫度[3]。模擬結構風管內氣流組織，首先要建立結構風管的三維CAD模型。文中通過二維CAD圖紙，根據各種型材、板材之間的相對布置，在AUTOCAD軟件中直接三維建模(見圖1)，建立了結構風管的簡化三維模型。

圖1 結構風管三維模型

在此基礎上，根據劃分網格軟件HyperMesh要求對模型簡化處理，根據以往劃分網格的經驗，先選擇合適的網格類型、尺寸、數量等，然后對模型的出入口條件進行設置，導入Fluent模擬計算軟件格式的計算模型，下面簡單介紹劃網格過程。

1.1 幾何導入、修復與清理

從已有的機艙與變壓器間布置圖模型文件中抽取機艙的結構風管模型，對機艙風管布置圖中多余的模型進行刪除，導入到HyperMesh軟件當中，在通常情況下我們需要簡化模型，這樣對于得到更好的網格質量十分重要。

1.2 面網格劃分

HyperMesh軟件的強大功能就是自動劃分網格，通過設置網格的尺寸、類型能夠快速地在一個面或者多個面自動生成網格。我們設置容差來檢查出不滿足最小尺寸的網格單元，觀察網格排列是否整齊，不規則的地方可以重新劃分。網格劃分的思路是由面網格引出體網格，由于面網格的質量決定了體網格的質量，因此面網格的質量決定了總體網格的質量。

1.3 體網格劃分

對于體網格的形式，我們采用的是四面體網格，原因是：對于復雜的模型，劃分體網格都是依靠自動或半自動網格生成器產生，一般的三維域不能總是被分解為規則的六面體網格或其它類型網格，但它可以隨時被劃分為規則的四面體網格；對于比較大的模型，四面體網格計算速度最快，減少了計算時間且存儲空間顯著；考慮到相等的精確性和時間等因素，我們選用四面體網格。

1.4 網格區域的映射性

我們創建實體單元，可以從節點、曲面、實體幾何創建，在實體網格劃分過程中，經過編輯的實體需在某個方向或者三個方向上可映射，我們稱這種屬性為可映射性，即要保持網格之間的連續性。區域劃分的目的就是使用邊界線和切割線分割實體，使每一塊實體都成為可映射形式，在平面的二維網格指引下，生成三維實體網格，然后由一個實體映射到另一個實體，最后生成完整的有限元模型。

1.5 單元質量和檢查

單元的質量決定了計算結果的精度，通過一些指標可以清楚地顯示出單元質量的好壞。常用的單元質量指標為偏斜度、長寬比、翹曲度、雅可比等。對于劃分的網格，大部分都是連續的，我們設定壁面條件為流場邊界。為了模擬流場的實際情況，設置擋板處和小肋板處的網格不連續，為插入邊界，如圖2所示。

圖2 網格壁面條件圖

2 風管數值模擬仿真與優化

結構風管的計算模型導入軟件后，對計算結果進行處理，即可得到通風管道內的壓力、速度矢量圖。通過對優化前后整個結構風管內的速度、壓力分析，可以得到管道內通風量的變化，驗證是否滿足各艙室設計要求的通風量，為管道的通風設計與優化提供依據和參考。

2.1 結構風管的模擬仿真

2.1.1 創建計算模型

通過提供的機艙與變壓器間布置圖與三維模型文件(dxf格式)為基礎，從模型文件中抽取機艙與變壓器間的風管模型，導入HyperMesh軟件中，并對風管內部的流場區域進行網格劃分，如圖3所示。

圖3 風管內流場網格模型

2.1.2 設定物理模型

風機風量采用的是360 000 m3/h，按照矩形風管的空氣流速公式：

V=L/AB

式中：V為流速；L為流量；A、B分別為長和寬。對風管截面面積估算后，風管內最大風速約為50 m/s，約為0.16馬赫。按歐拉方程分析氣體流動中密度變化：

式中：Ma為馬赫數；p、v分別是密度和速度；若Ma<0.3，密度變化可以忽略，屬于不可壓縮流動范疇，視為無壓縮氣體流動。氣體在管道內流動時，流動狀態分為層流和湍流，流體質點的軌跡中規則的光滑曲線為層流，不規則運動的是湍流。根據雷諾數公式：

Re=ρvd/η

式中：ρ為空氣密度；v為流速；d為管道等效直徑；η為空氣運動粘性，取0.133×10-5Pa·s，通過計算得出雷諾數為3.6241×107，臨界雷諾數一般取值為2 000～4 000，當Re遠大于4 000，認為氣流為充分發展的湍流運動，而且需要考慮產生的渦漩，我們采用目前廣泛使用的Realizable k-ε湍流模型。

+Gk-Gb+ρ ε-Ym+Sk

式中:Gk和Gb分別是由平均速度和浮力所引起的湍流動能k產生項。在船舶與海工結構風管中不存在隨時間變化邊界條件等因素，因此選用定常流模型。

2.1.3 設置邊界條件

將網格轉換為計算流體力學軟件Fluent的輸入格式后，對風管內流場進行分析。風管內流場邊界條件如圖4所示，進風口為質量流入口，出風口為壓力出口。根據設計信息，變壓器間排風扇靜壓為300 Pa，設定變壓器間出風口與機艙出風口壓差為300 Pa，即

P機艙-P變壓器間= 300 Pa

圖4 計算模型邊界條件

設置風管管壁作為壁面，取常規鍍鋅板的粗糙高度0.2 mm。風機排風口為速度邊界，取額定風量360 000 m3/h，將速度方向設定為Z軸正方向流出。進氣口邊界壓強為大氣壓，由于邊壁或流量的變化，均勻流在局部地區遇到干擾，使氣流的大小、方向和分布產生變化，甚至產生渦流，由此產生局部損失[5]。其局部流動阻力表述為

式中：ζ為局部阻力系數；v為局部空氣流速,m/s。根據廠商提供的阻力系數；ζ排風=2.0，空氣=1.24 kg/m3，擬合后的局部流動阻力為

z=1.24·v2

減小局部阻力著眼于防止或推遲氣流與壁面的分離，避免漩渦區的產生或減小漩渦區的大小和強度[4]。把計算的阻力結果輸入邊界條件，不對流速或壓力進行假定，可以更加真實地反映實際流動情況。控制方程采用SIMPLE方法求解，壓力項采用標準離散格式，動量項、對流項和擴散項均使用二階迎風格式離散。進行迭代計算后流場趨于穩定，然后對流場內流速較高的網格，以及速度梯度較大的網格進行自適應細分，以反映流場的細節。網格自適應后再次進行迭代計算，直至計算收斂。

2.1.4 管路阻力與實際風量計算

按照計算實際風量的需求，計算管路阻力以繪制管路阻力ptf曲線。共取4個工況，分別為通風量30×104m3/h、32×104m3/h、34×104m3/h和36×104m3/h，對應的管路阻力計算結果見表1。

表1 管路阻力計算結果

兩個進風口各配一臺風機 (Novenco S31 A-B)，廠家提供的風機曲線如圖5所示。

圖5 Novenco S31 A-B風機曲線

風機葉片安裝角為58°，擬合風機曲線和管路阻力曲線后得出單臺風機實際氣體流量應為qv= 47.4 m3/s，管路阻力ptf = 1 820 Pa，如圖6所示。

圖6 管路阻力與實際風量計算

運轉點就是性能曲線和阻力曲線的交點，因為這一點上的動力矩和阻力矩相等，可以使風機可持續勻速運轉。如果阻力大于額定動力，則風機功率偏小，導致帶不動或超載運行而燒壞電機，如果阻力小于額定動力，則風機輕載運行，浪費了一部分功率。通過圖6我們可以看出，風機的運轉點就是流量為qv= 47.4 m3/s所對應的點，折算后機艙與變壓器間實際通風量約為341 280 m3/h。

2.1.5 風量分配計算

按照實際通風量設置流場邊界條件，利用Fluent軟件計算機艙與變壓器間各出風口的送風量分配，結果見表2。

表2 機艙與變壓器間送風量分配

根據計算結果，大約僅10%的通風量分配到變壓器間。對風管內流場進行分析，風管內壓力分布如圖7所示。圖7中右側風管的直角彎處壓力損失較大(見畫圈處)。

圖7 風管內壓力分布

圖8(a)為結構風管與變壓器間風管連接處速度矢量，顯示大部分氣體直接從出風口進入機艙，僅少量氣體進入變壓器間風管。可以考慮加裝導流板以改善變壓器間通風狀況。圖8(b)為變壓器間風管內速度矢量圖，顯示變壓器間風管中間段內基本無氣體流動，是左右兩側風機通風的分界點。該位置靠近左側風機，右側風機送風路程較長，沿程損耗較大。

圖8 結構風管內速度矢量圖

速度矢量圖可以直觀地表示速度的大小、方向和渦流情況，模擬了氣體在管道中的流動狀態。網格單元是最小的分析實體，在網格的中心用剪頭表示矢量，用顏色和長度表示大小。因此選用速度矢量圖來對結構風管內氣流組織進行分析。通過機艙與變壓器間模型和風機參數為基礎，進行通風流場的計算與分析，得出機艙與變壓器間實際通風量計算結果為341 280 m3/h，其中變壓器間30 498 m3/h，機艙310 782 m3/h。我們分析認為變壓器間與機艙通風量分配不均問題較為突出，可采取的改進措施如下：

(1) 加裝導流板，增加變壓器間通風量[6]；

(2) 選用其他型號的變壓器間排風扇，加大機艙與變壓器間壓差(當前為300 Pa)；

(3) 縮短變壓器間送風長度，可考慮將直角彎改為兩個45°彎、風口位置前移縮短與風機距離。

2.2 結構風管的優化

2.2.1 安裝導流板

導流板設計是為了減小空氣阻力。空氣流動的阻力有兩種，一種是因為空氣本身的粘滯性與管壁的摩擦而產生的阻力，稱為摩擦阻力；另一種是空氣流經管件及擋板處，因為流速的大小和方向變化以及產生渦流而產生的阻力，為局部阻力。如圖9所示，在擋板處氣流速度太大，擋板區域速度達到了40 m/s，而其它區域為20 m/s，根據管道阻力公式，為了減小摩擦阻力，我們需要降低氣體的流速。

式中：l為局部阻力當量長度，m；ζ為局部阻力系數；λ為摩擦系數；Δpf為阻力損失，Pa。

在常壓下，氣體管道的流速一般為10 m/s～30 m/s，流速越大，阻力越大。另一方面，從圖9可以看出，在擋板處有小渦漩，產生了繞流，對氣體的通過產生了阻力，需要消除。

圖9 結構風管內繞流圖

通過上述分析，為了減小風管阻力，需要進行導流板的設計，以現有的模型為基礎，根據先前流場分析結果，提出機艙與變壓器間的風管內導流板安裝方案(見圖10)。風管內共安裝四塊導流板，導流板A位于進風口下方遮住突出的結構，導流板B位于結構風管內遮住小肋骨，導流板C、D分別位于左右節流孔下方遮住凹陷的結構。

圖10 導流板安裝方案圖

2.2.2 優化后模擬仿真

對安裝導流板后風管內流場進行建模，重新用Hypermesh軟件劃分網格，輸入Fluent軟件進行流場分析。風管內流場邊界條件設置進風口為質量流入口，出風口為壓力出口，設定變壓器間出風口與機艙出風口壓差為300 Pa。

2.2.3 優化后效果分析

通過優化前后的速度矢量對比，得出通風量的變化。可知，優化后減小了管道的阻力，有更多新鮮的空氣進入各個艙室，且優化后的系統可以合理地分配各出風口的風量，使管道內氣體分布更合理。對模擬數據進行處理后，繪制管路阻力ptf曲線，并與未安裝導流板的管路阻力進行對比。對比結果如表3所示。

表3 管路阻力對比

擬合風機曲線和管路阻力曲線后對比導流板的效果，未裝導流板時，單臺風機氣體流量估算值為qv0= 47.4 m3/s，管路阻力ptf0= 1 820 Pa；安裝導流板后，單臺風機氣體流量估算值qv= 54.0 m3/s，管路阻力ptf = 1 707 Pa，如圖11所示。根據分析結果，在不改變其他配置情況下，安裝導流板大約可以提升約1/8的風量，折算安裝導流板后機艙與變壓器間風量預計能達到388 000 m3/h。

圖11 風量與管路阻力對比

同樣通風量的工況下(360 000 m3/h)風管內流場進行對比，未裝導流板風管內局部最大風速為62.2 m/s，安裝導流板后風管內局部最大風速將為52.0 m/s，說明導流板可以降低最大風速以減少管路內流動阻力。圖12、圖13為導流板前后風管內速度矢量對比，從圖上可以看出，導流板對通風口下方擋板處氣流改善效果明顯。

圖12 風管內速度矢量分布對比

圖13 擋板處速度矢量分布對比

通過機艙與變壓器間風管模型和風機參數為基礎，進行導流板方案設計與分析。CFD對比分析表明，安裝導流板大約可以提升約1/8的風量，安裝導流板后機艙與變壓器間風量估算值為388 000 m3/h，通過對結構風管的優化，減小了管道內的阻力，使出風量增加，管道內的氣流組織分布更加合理、均勻、穩定，同時也能夠降低船體的震動和噪音。

對于該方案的計算與優化，得到船廠與船東的認可，并已采用該方案。

3 結論

本文采用CFD技術對船舶與海工產品的機艙、變壓器間的結構風管進行通風計算，本文主要針對船舶空通風專業進行CFD模型的研究與選取，風管計算工作的網格可靠性驗證，管路性能與風機性能的匹配，風管優化方案設計等進行研究，通過對通風管道系統的設計計算，借鑒有限體積法，運動代數法生成矩形風管計算的結構化網格，建立控制方程并

[][]進行離散，對k-ε湍流求解直至計算結果收斂，對優化后的結構風管質量流分析，得到了結構風管通風的優化方案，取得了階段性的進展，為后續船舶與海工平臺艙室通風的設計提供了指導性的參考和技術支持。

[1] 金小闖，蔣合葉，黃林峰.船舶艙室通風設計與分析[J].機電信息,2013(24):154-155.

[2] 倪崇本，朱航，丁金鴻,等.LNG船機艙內通風氣流組織的數值分析[J].船舶工程,2014(3):57-61.

[3] 郭昂，封海寶，王馳明.某海監船機艙通風系統的設計和優化方案[J].江蘇船舶，2014(3):19-21.

[4] 中國船舶工業集團公司.船舶設計使用手冊-輪機分冊[M].北京：國防工業出版社，2013.

[5] 羅繼杰，張蔚東.《通風管道沿程阻力計算選用表》編制及設計應用[J].暖通空調,2009(9)：97-99.

[6] 張衛東，王世忠，王新海.船舶艙室空調送風優化技術[J].艦船科學技術,2011, 33(2)：121-125.

Research on Air Distribution and Optimization of Structural Air Duct

YAO Zheng-gang1， NI Chong-ben2， YAO Wen2

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China;2.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

The marine platform structural air duct between engine room and transformer room was mainly selected as a carrier, and the simulation software of HyperMesh and Fluent as a tool was used to analyze ventilation duct system flow field. Getting the pipe resistance curve and wind tube velocity vector. And then, the structure of the wind tube was optimized and ventilation systems were compared in order to improve the ventilation efficiency. It can provide analysis of the numerical simulation for the design of the ventilation system.

CFD Air distribution Numerical simulation Optimization

姚正鋼(1987-)，男，工程師，研究方向為船舶舾裝設計應用。

P75

A