艦船動力系統排煙對甲板上方空間溫度場影響的數值分析

張佳佳，付云鵬，葉正華，孫鵬，鐘兢軍，楊木肖

1大連海事大學輪機工程學院，遼寧大連116026

2中國船舶及海洋工程設計研究院，上海200011

3大連海事大學專業學位教育學院，遼寧大連116026

0 引 言

隨著艦載機及精密電子設備普遍裝備現代艦船，與之相關的安全性及可靠性影響因素也逐漸受到關注［1］。其中，艦船甲板上方空間分布的高溫煙氣是決定艦船上層建筑表面精密電子儀器設備能否正常工作、艦載機能否安全起降的重要因素之一。隨著現代艦用燃氣輪機燃氣初溫及壓比的不斷提高，溫度越來越高的機組高溫排氣給艦船帶來了一系列的問題，如外煙囪端部射出的高溫煙氣給艦船帶來的煙氣腐蝕、電氣設備的過熱損壞、能見度降低、上層建筑污染等［2］。但影響艦船表面溫度場分布的因素有很多，如艦船的幾何外形、自然風的強度及方向、自由來流的湍流分量、海況及艦船的航行運動［3］。因此，有必要考慮一定情況下艦船甲板上方空間溫度場、艦船上層建筑表面溫度的分布，及時做出預測、判斷、分析并研究。

利用CFD手段對艦船外部流場、溫度場進行研究是行之有效的手段，國內外已有不少學者開展過類似工作。Polsky等［4］針對LHA船型進行時間精確的空氣尾流場的數值仿真并與相應的風洞測試數據進行了比較，證明利用CFD手段研究艦船甲板上方空氣流場具有一定的可靠性。Kulkarni等［5］利用Fluent軟件中的標準k-ε雙方程模型對某型護衛艦的煙囪熱氣流場進行了數值研究。林維德［6］針對某艦船普通排氣系統的內部流場和溫度場進行了計算，得到了該排氣系統內部的溫度分布；周紹榮等［7］分析了某型艦船排氣系統紅外抑制裝置的湍流場以及溫度場。

上述與艦船溫度場相關的研究大都集中在艦船排氣系統內部，本文將著重于艦船排氣系統對其外部溫度場影響的數值分析。首先，利用Fluent軟件對某LHA船型在不同風速下艦船甲板上方的空間溫度場進行計算，然后，選取3個關鍵截面，對排氣系統在所選關鍵截面處的溫度場影響、甲板上層建筑表面溫度分布進行量化分析。

1 數值計算方法

1.1 計算模型

本文的研究對象是以“塔拉瓦”級兩棲攻擊艦（LHA）為參考，并對其上層建筑結構形式進行了簡化。研究中，不考慮氣、液交界的作用。為了減少網格數目與計算量，甲板高度取2 m，具體模型如圖1所示。艦船沿航行方向，左側為船體左舷（PORT），右側為船體右舷（STBD），上層建筑以及煙囪位于甲板右舷一側。計算模型中，將x方向定義為長度方向（艏艉方向），y方向定義為寬度方向（船舷方向），z方向定義為高度方向。

圖1 艦船簡化模型Fig.1 Simplified model of ship

在利用CFD技術對鈍體繞流建立計算模型時，計算域的邊界應設置于離模型足夠遠處，以避免邊界對計算結果造成影響。而在數值模擬計算中，計算域的大小往往以阻塞率的大小來衡量，一般認為阻塞率不大于3%［8］。本文選定的計算域大小為1 300 m×210 m×160 m，如圖2所示。在本研究中，計算域yz面的阻塞率為1.46%，xz面的阻塞率為1.54%（因xy面不受來流風速的影響，故不將其考慮在內）。

圖2 計算域及邊界定義Fig.2 Computational domain and definition of boundary

1.2 網格和邊界條件

艦船模型計算域網格如圖3所示。由于船體表面及上層建筑的結構較為復雜，為減少總體網格數量，將計算域劃分為包含船體在內的中間區域以及前、后兩個遠場區域。其中中間區域的網格較密，前、后兩個遠場區域的網格較稀疏。為節省網格生成時間，上層建筑及船體附近為四面體非結構化網格；前、后兩個遠場區域因為簡單的長方體結構，為兼顧計算時間，將其劃分為正六面體結構化網格。全計算域網格數約360萬。計算方法的可靠性驗證參考文獻［9］。

圖3 計算網格示意圖Fig.3 Schematic diagram of computational grid

計算中的合成風速分別設定為10，15，20和23 m/s，風向為右舷30°。由于來流速度較低，為不可壓氣體［10］，因此甲板氣流場計算中的主要邊界條件為：速度入口（Velocity inlet）、壓力出口（Pressure outlet）、甲板及上層建筑定義為壁面邊界（Wall）。邊界名稱如圖2所示，其中Up定義為速度入口，但氣流方向與截面平行，即沒有氣流進入；Bottom認為是水面，不考慮氣、液交界，將其定義為壁面；煙囪出口定義為速度入口。具體的邊界條件定義見表1。計算采用基于壓力的隱式求解器，湍流模型選擇k-ε標準雙方程模型，工質選擇不可壓理想氣體，工作壓力為標準大氣壓。

表1 邊界類型定義Table 1 Definition of boundary

2 計算結果分析

2.1 溫度場分析基準

對于艦船甲板上方的空間溫度場是否達到安全標準，很多國家都制定了相應的準則，其中英國民航局制定的CAP 437等［11-12］對甲板上方空間溫度場的要求更為簡單、明晰。因此，在分析此次艦船甲板氣流場的數值模擬結果時，對于考慮艦船甲板表面一定關鍵位置處是否超溫，將以CAP 437標準為參考。

CAP 437對甲板停機坪位置處的溫度要求為：在平均3 s的時間間隔內，直升機在起降區域（即供直升機安全起降所需的甲板上方凈空高度范圍，應滿足30 ft加直升機輪子到旋翼的高度再加上一個旋翼的直徑）內煙氣溫度最大的溫升不能超過環境溫度2 K。標準中規定的溫度是動態溫度變化，但本研究中采用的是定常數值方法，無法考慮溫度場的動態變化情況。因此，在將環境溫度設定為300 K的情況下，認為溫度達到302 K的區域超出標準要求的可能性較大，故將302 K選作一個關鍵點溫度。

溫度場分析主要針對煙囪排放的高溫煙氣在艦船甲板上方空間的整體走向，以及在艦船上層建筑壁面和典型截面的溫度分布來進行分析。分析中選取的典型截面如圖4所示，其中橫向1，2號截面寬度與船寬同寬，縱向截面長度與船長同長，二者的高度根據CAP 437中的空間區域要求折合計算，選取為35 m。1，2號橫向截面及船長方向的縱向截面分別通過1，2號停機坪中心。

圖4 流場分析截面及1，2號停機坪Fig.4 Analysis sections and No.1 and No.2 heliport

2.2 高溫煙氣對甲板上方溫度場影響

圖5所示為4種工況下艦船甲板上方空間高溫煙氣溫度302 K時的等值面。從中可觀察到，在相同風向下，高溫煙氣的整體走向幾乎相同。煙氣經煙囪排出后，在右舷30°來風的卷挾下順流甲板上方向后傳播，但隨著風速的增加高溫煙氣與外部來風的流動換熱逐漸加劇，導致其整體尺度越來越小。

為進一步觀察高溫煙氣對艦船甲板上方空間的總體影響，給出了縱向截面（沿船長方向關鍵截面）上20 m高度處高溫煙氣分布的始末位置，如圖6所示。圖中橫坐標為風速，縱坐標D/L為高溫煙氣在20 m高度處的始末位置相對船長的無量綱數。在風速為10 m/s時，高溫煙氣溫度超過302 K的區域在縱向截面20 m高度處起始于0.55倍船長位置處，于0.92倍船長位置處終止。隨著風速的增加，高溫煙氣在縱向的分布范圍越來越小，逐漸收縮到0.65倍船長位置處。

圖5 4種工況下艦船甲板上方空間溫度302 K時的等值面Fig.5 Temperature iso-surfaces（302 K）above the ship deck under four conditions

圖6 4種工況下高溫煙氣在縱向截面的始末位置（20 m高度處）Fig.6 Start and end position on longitudinal section under four conditions（height is 20 m）

圖7所示為4種工況下1號停機坪1號橫向截面的溫度分布云圖。從中可觀察到，在4種工況下，高溫煙氣在甲板停機坪一側上方空間的分布規律相似，煙氣經煙囪排出后，由于溫度梯度的存在和側風的作用，高溫范圍逐漸向甲板另一側擴散，在傳播的過程中，溫度梯度逐漸遞減；隨著風速的增加，氣流繞流上層建筑形成的尾渦作用更加明顯，在煙囪背風一側形成的回流更強。

如前文所述，風速的增加會導致高溫煙氣與外部來流流動換熱的增加，以致于對其影響范圍造成了一定的改變。為詳細觀察這種改變，選取1號截面上高溫煙氣在船寬方向傳播的最遠距離作為參考依據，如圖8所示（縱坐標D/B為高溫煙氣在船寬方向傳播的最遠距離相對船寬的無量綱數）。由圖8可知，在23 m/s風速下，高溫煙氣在1號截面上傳播的距離最短，約為0.725倍船寬。考慮到在0.6倍船寬左右會對停機坪的安全使用產生影響，因此在此4種工況下，1號停機坪的安全使用無一例外地會受到高溫煙氣的干擾。

圖9給出了2號停機坪上方空間的溫度分布。在30°風向下，風速由10 m/s增加到23 m/s時2號停機坪會受到高溫煙氣的影響，使得2號停機坪處直升機的安全起降受到威脅。

圖7 4種工況下1號截面的溫度云圖Fig.7 Temperature contours of the No.1 section under four conditions

圖8 4種工況下高溫煙氣在1號截面的最遠傳播距離Fig.8 The maximum spreading distance of high temperature gas at No.1 section under four conditions

圖9 4種工況下2號截面的溫度云圖Fig.9 Temperature contours of the No.2 section under four conditions

2.3 上層建筑壁面溫度分布分析

圖10為4種工況下該型艦船上層建筑壁面的溫度分布。從中可觀察到，壁面高溫區域除集中在煙囪出口附近外，還集中于另外2處地方：一處位于前部上層建筑靠近煙囪壁面處；另一處位于2號停機坪后方甲板表面及后部上層建筑局部壁面。氣流繞流上層建筑會在其后方形成尾渦，在上層建筑背風側存在一個低壓區，在該低壓區內，高溫煙氣被吸貼至建筑壁面，導致局部溫度過高，可達330 K左右。

但在4種不同風速下，高溫煙氣對上層建筑壁面影響范圍的大小還略有不同，因此詳細考察了上層建筑壁面的受影響范圍大小情況，如圖11所示。圖中，z軸為受高溫煙氣影響的面積大小，x軸為風速，y軸為溫度。從三維圖中可以明顯觀察到，上層建筑在低風速情況下受到的影響更明顯。在10 m/s風速下，壁面溫度超過330 K的區域達8.8 m2，壁面溫度超過310 K的區域高達73 m2。隨著風速的增加，這種影響將逐漸遞減。在23 m/s風速下，壁面溫度超過310 K的區域不到5 m2。

圖10 4種工況下艦船上層建筑壁面溫度分布云圖Fig.10 Temperature contours of ship superstructure wall surface under four conditions

圖11 不同工況下高溫煙氣對上層建筑壁面的影響范圍Fig.11 Influence range of the high temperature gas on superstructure wall surface under four conditions

3 結 論

1）在右舷30°風向下，艦船排氣系統所排高溫煙氣在風速10～23 m/s時在甲板上方空間的整體走向一致，但隨著風速的增加，高溫煙氣在順流向后傳播的過程中尺度越來越小，衰減過程越來越快；在縱向觀察截面，隨著風速的增加，高溫煙氣越來越集中于0.65倍船長處。

2）在 30°風向、風速10～23 m/s情況下，1，2號停機坪上方35 m高空均不同程度地包含有超溫區域，在此處直升機的起降安全會受到影響，且隨著風速的增加，超溫煙氣在1，2號截面的最遠傳播距離也在減小，由風速10 m/s下的最遠至0.78倍船寬降到了風速23 m/s下的最遠至0.72倍船寬。因此，對位于艦船上層建筑背風側的停機坪，其設計選擇要更為慎重。同時，在艦船航行過程中，該處停機坪的使用安全性也更應受到關注。

3）在艦船上層建筑靠近煙囪的壁面處，由于上層建筑尾渦對高溫煙氣的卷吸作用，致使其局部溫度過高，約達330 K，且風速越低，受超溫煙氣影響的面積越大；在風速為10 m/s時，上層建筑表面溫度超過330 K的面積達8.8 m2。因此，艦船上層建筑表面的電子儀器等設備應盡量布置在遠離靠近排氣系統附近的壁面處，仿真結果可為具體的布置方案提供一定的參考。