艦船用高溫軸流風機冷卻數值模擬

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(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

對于相對封閉的艦船內部艙室環境來說，在火災發生的時候，能否及時地將煙氣排走，將直接影響到傷員救援效率和滅火系統投入時機。目前艦船用排煙風機設備規范尚未頒布，在GB 50016-2014《建筑設計防火規范》[1]中有“排煙風機應能在280 ℃的環境條件下連續工作不少于30 min”的要求，且允許30 min后失效并不可恢復。在艦船消防排煙要求下，對排煙風機在高溫下的使用時間提出了更高要求，然而風機電機如果長期在高溫環境下運轉，電機功率輸出變小，電機運行效率降低，嚴重時會燒毀電機[2-3]。因此需要在高溫環境下通過冷卻設計來提高風機電機的壽命和可靠性。采用數值傳熱學和計算流體動力學對某高溫通風機進行數值模擬[4]，計算電機在不同工況下的溫度，選擇合理的設計方案，保證風機能在高溫排煙工作條件下安全可靠工作。

1 物理仿真模型

1.1 風機模型

軸流式排煙風機設計形式有電機與主氣流隔離式和一體式兩種[5-6]。為了能延長電機在高溫條件下的使用時間，風機模型設計形式采用電機與主氣流隔離式設計，結構見圖1。其主要由電機、葉輪、機殼、電機艙殼等部件組成，其中電機通過法蘭與圓筒形機殼聯接在一起，葉輪與電動機直聯，葉輪位于機殼內部，電機艙與高溫氣流隔離。當葉輪旋轉時，高溫氣流從進口軸向進入機殼和電機艙殼間的風道，流經葉輪加壓后排出風機。電機艙殼均設計隔熱層，將電機與高溫氣流隔開[7-8]。

1.2 冷卻方案一

電機艙前端設計冷卻風道設置為冷卻風進風口，冷卻風經過電機冷卻后，從機軸處設計的冷卻風道排出，見圖2。依據設計尺寸建立三維幾何模型，見圖3。為了計算方便同時提高網格質量，采用CFD軟件對風機模型的網格劃分，并對風機模型進行了簡化，省略機殼、葉輪等部件，模型中保留電機殼、電機軸、電機艙及冷卻進風道[9-10]。網格劃分均采用多面體非結構化網格，網格總數約120萬。

圖3 冷卻方案一模型及其網格劃分

1.3 冷卻方案二

電機艙后端設置冷卻風道，作為冷卻風進風口，冷卻風經過電機冷卻后直接從電機艙前端排出，不單獨設計冷卻風排風道，見圖4。網格劃分見圖5。

圖4 冷卻方案二

圖5 冷卻方案二模型及其網格劃分

2 計算方法與邊界條件

2.1 計算方法

采用 RNGk-ε湍流模型，相比standardk rd krdk-ε模型，RNGk-ε湍流模型對于空間內流場模擬中的非等溫、混合對流有更高的精度[11]。另外，雖然使用零方程模型進行計算能夠減少計算量[12]，但其衰減速度相比于RNGk-ε模型更快，不能準確反映室內流場變化。采用隱式SIMPLEC算法耦合壓力和速度場收斂標準，為同時達到質量和熱平衡，空氣密度采用Boussinesq假設。

2.2 邊界條件

方案一和方案二邊界條件的設置見表1。方案一：冷卻風溫65 ℃，風速設置為10 m/s。根據冷卻風道流通面積(0.018 768 m2)，冷卻風量為718.8 m3/h；方案二：冷卻風溫度65 ℃，風速分別設置為12 m/s和25 m/s，根據冷卻風道流通面積(0.018 768 m2)，冷卻風量為862.6 m3/h和1 854.7 m3/h。

表1 邊界條件

3 仿真結果分析

3.1 方案一

冷卻風從電機艙前端的風道進入電機艙內，與電機對流換熱后從電機艙后部的出口流出。圖6顯示電機艙內冷卻風的路徑和走向。圖7為電機各部分溫度隨時間變化關系。

圖6 電機艙內流場

圖7 電機各部分溫度隨時間變化關系

電機艙前端的風道冷卻風的進口溫度338 K(65 ℃)，在電機艙內的平均溫度是346.2 K(73.2 ℃)，溫升8.2℃。電機轉子的初始溫度設置為373 K(100 ℃)，經過30 min后上升到405.3 K(132.3 ℃)，溫升32.3 ℃。電機殼溫度的初始溫度同樣為373 K(100 ℃)，經過30 min后上升到399.2 K(126.2 ℃)，溫升26.2 ℃。選取第5 min、第15 min、第20 min和第30 min 4個時間點的軸截面溫度分布和電機表面溫度分布。見圖8～13。其中圖12為第30 min的風機軸截面溫度分布情況，圖13為第30 min時電機殼表面溫度分布情況，可以看到此時電機殼表面最高溫度已達到400 K(127 ℃)，且溫度較高的區域位于電機右半部分。

圖8 軸截面溫度分布情況(5 min)

圖9 電機表面溫度分布情況(5 min)

圖10 軸截面溫度分布情況(15 min)

圖11 電機表面溫度分布情況(15 min)

圖12 軸截面溫度分布情況(30 min)

圖13 電機表面溫度分布情況(30 min)

3.2 方案二

1)采用冷卻風流速為12 m/s條件下仿真結果。圖14表明電機艙內冷卻風的路徑和走向。冷卻風從靠近軸端的風道進入電機艙內，與電機對流換熱后從左側的出口流出，而且在出口處沒有出現回流。因此冷卻風入口位置比方案一更合理。圖15為電機各部分溫度隨時間變化關系圖。冷卻風的進口溫度338 K(65 ℃)，在電機艙內的平均溫度是345.5 K(72.5 ℃)，溫升7.5 ℃。電機轉子的初始溫度設置為373 K(100 ℃)，經過30 min后上升到396.9 K(123.9 ℃)，溫升23.9 ℃。電機殼溫度的初始溫度同樣為373 K(100 ℃)，經過30 min后上升到393.8 K(120.8 ℃)，溫升20.8 ℃。圖16為第30 min的風機軸截面溫度分布情況，圖17為第30 min時電機殼表面溫度分布情況。可以看到此時電機殼表面最高溫度已達到400 K(127 ℃)以上，溫度較高的區域位于電機右半部分，由于冷卻風速較低，電機運行溫度較高。

圖14 電機艙內冷卻風的路徑和走向

圖15 電機各部分溫度隨時間變化關系

圖16 軸截面溫度分布情況(30 min)

圖17 電機表面溫度分布情況(30 min)

2)采用冷卻風流速為25 m/s條件下的數值模擬結果。圖18為電機各部分溫度隨時間變化關系。冷卻風的進口溫度338 K(65 ℃)，在電機艙內的平均溫度是343.3 K(70.3 ℃)，溫升5.3 ℃。電機轉子的初始溫度設置為373 K(100 ℃)，30 min后上升到386.7 K(113.7 ℃)，溫升13.7 ℃。電機殼溫度的初始溫度同樣為373 K(100 ℃)，經過30 min后上升到384.0 K(111 ℃)，溫升11 ℃。圖19為第30 min的風機軸截面溫度分布情況，圖20為第30 min時電機殼表面溫度分布情況。可以看到此時電機殼表面最高溫度已達到400 K(127 ℃)以上，且溫度較高的區域位于電機右半部分，因此該處最需要冷卻。由于冷卻風速提高，因此電機殼的散熱效果增強。

圖18 電機各部分溫度隨時間變化關系

圖19 軸截面溫度分布情況(30 min)

圖20 電機表面溫度分布情況(30 min)

4 結論

1)采用計算流體力學和數值傳熱學方法對船用高溫軸流風機電機的流場與溫度場開展耦合數值模擬，模擬結果可對風機冷卻設計提供一定參考。

2)方案一的冷卻風的出口位置不太合理，因為高速旋轉的葉輪會對冷卻風出風造成阻礙，因此在實際應用中冷卻效果可能會受到影響。

3)方案二采用冷卻風出風方向與風機排風方向相同的設計方案后，冷卻效果優于方案一。通過選取2種不同的冷卻風速，25 m/s的冷卻風速時電機殼溫度明顯低于采用12 m/s冷卻風速，可以得到在一定電機艙空間條件下，理論冷卻空氣的流速越大，電機散熱的效果就越好，但在能夠達到電機冷卻要求的前提下，應盡可能采用較小的冷卻風量。