基于CFD技術的船舶機艙大空間氣流組織分布預測方法

楊衛國

(海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室， 上海 200011)

0 引 言

艙室通風系統通常采用機械送風、排風與自然通風相結合的方式。一個設計完善的通風系統不但能為機艙內主要設備燃燒提供所需新鮮空氣，同時還能將機艙內的廢熱及時排出，改善艙內人員的工作環境。機艙內氣流組織分布往往是判斷一個艙室通風系統是否合理的主要依據，而獲得艙內氣流組織分布的方法主要有射流公式法、區域化模型法、模型試驗法和計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics， CFD)法。隨著計算機技術的高速發展，較其他方法而言，CFD技術顯然更加便捷且節約成本。近年來，CFD技術在艙室通風系統的研究上得到了廣泛應用，但將其應用在船舶整機艙、大空間流場的研究還并不多見，究其原因，主要是艙內設備較多、計算空間復雜，進而增加計算難度和計算量，而且不易進行試驗驗證[1]。

以某船整機艙全流場為研究對象，提出一種應用CFD技術進行艙內大空間氣流組織分布預測以判定機艙大空間通風系統完善程度的研究方法。

1 機艙物理模型建立

本船機艙長為24.7 m、寬為17 m、最高為24.7 m，分主、副機艙布置，設備分布如圖1所示。主機艙主要布置2臺主推進柴油機及排氣系統等；副機艙主要布置3臺柴油發電機組及排氣系統；1臺燃油鍋爐及排氣系統和1臺焚燒爐及排氣系統布置在01甲板機艙棚內(見圖1)；機艙內采用4臺船用軸流風機及通風管路向艙內送風，通過機艙棚和煙囪百葉窗向艙外排風。對機艙內部流場建模時，忽略外形尺寸較小的設備，對艙內設備適當簡化后建立的幾何模型如圖2所示。

圖1 機艙設備分布圖

圖2 機艙設備幾何模型

2 計算模型及邊界條件

2.1 計算模型建立

近年來，CFD技術在模擬機艙氣流組織分布領域得到高速發展，本文利用流體計算軟件Fluent對艙內氣流組織分布進行模擬。

利用Boussinesq渦旋黏性假設，忽略質量力的可壓縮黏性氣體的Navier-Stokes方程組[2-3]描述如下：

連續方程為

(1)

動量方程為

(2)

能量方程為

(3)

狀態方程為

(4)

(5)

式中：τij為黏性應力張量；xi、xj、xk分別代表笛卡爾坐標系的3個坐標軸；ui、uj、uk為速度矢量在xi、xj、xk方向上的分量；e為單位質量的內能；ρ為流體密度；P為壓力；R為理想氣體常數；T為溫度；δij為克羅內克算子；μ為動力黏性系數；λ為熱傳導系數；μt為渦旋黏性因數。

2.2 網格劃分及算法

針對較為復雜的機艙內部流體區域，采用Gambit軟件對其進行非結構化網格劃分[4]，網格數量為1 088 028個，計算區域網格如圖3所示。在計算時，假設流體為不可壓縮的穩態流體，以湍流模型模擬渦旋黏性因數，采用SIMPLE算法對流場進行數值求解。

圖3 計算區域網格

2.3 邊界條件設置

本船主、副機艙分別設置2臺船用軸流風機，艙室排風主要通過機艙棚和煙囪百葉窗，是典型的置換通風與自然通風相結合的形式，計算邊界條件參照實際工況設置，如表1所示。

表1 邊界條件設置

3 設計方案及模擬結果分析

3.1 設計方案

根據《ISO 8861-1998造船-柴油機船舶機艙通風設計要求和計算基準》對本船艙室所需空氣量進行計算，環境參數為室外空氣溫度35 ℃、相對濕度70% 、機艙溫度45 ℃，得該艙室所需風量為43 m3/s。

3.2 模擬結果分析

經過模擬計算，得到機艙內部流場計算區域的詳細數據，圖4和圖5分別為機艙內部截面總壓及速度分布。

圖4 機艙內部截面總壓場(間隔5 m)

圖5 機艙內部截面速度場(間隔5 m)

選取主、副機進口的區域典型截面x=5.2m和x=17.5m進行觀察，如圖6和圖7所示。主機進氣口周圍的總壓為13.4Pa，每臺主機進氣口上方的送風口風量為10.9m3/s，大于主機燃燒所需空氣量10.5m3/s；副機進氣口周圍的總壓為13.8Pa，副機進氣口上方的送風口總送風量為11.6m3/s，大于副機燃燒所需空氣總量2.77m3/s；機艙內最小總壓為17.9Pa，說明整個機艙為正壓狀態。由上述計算結果不難看出，機艙內主、副機進氣口周邊流場環境均能夠滿足其正常工作要求。

圖6 主機進口(x=5.2 m)內部截面

圖7 副機進口(x=17.5 m)內部截面

設計方案選用的風機其阻力損失指標分別為主機490Pa和副機590Pa，機艙各通風系統總壓損失如表2所示，各風機總壓損失均小于其阻力損失指標，因此主、副機艙均能保證達到額定流量。

表2 機艙各通風系統總壓損失

圖8為機艙底層通風管系布置圖，表3給出機艙通風系統各主要通風管口的流速、流量統計數據。從表3可以看出：機艙煙囪排風口的流速為3.5 m/s，機艙總排風量為49.3 m3/s，大于機艙排風所需排風量43 m3/s，故能將機艙內的熱量有效排出。

表3 各主要通風管口的流速、流量

圖8 機艙通風管系布置圖

4 結 語

以某船整機艙全流場為研究對象，將CFD技術應用于船舶機艙大空間通風系統完善程度的判定與評價，獲得機艙內氣流組織的分布狀態，通過模擬結果分析，所得結論如下：

(1) 主、副機進氣口上方的送風口風量均大于其燃燒所需的空氣量，本方案通風系統可滿足主、副機工作要求，主、副機可正常工作；

(2) 主、副機艙室內通風系統阻力損失均小于所選用風機的阻力損失指標，風機可達到額定流量且正常運轉；

(3) 機艙煙囪排風口總排風量為49.3 m3/s，大于機艙散熱排風所需排風量43 m3/s，因此能將機艙內的熱量有效排出。

(4) 本文所提出的船舶機艙通風系統完善程度的判定方法可作為船舶整機艙大空間氣流組織分布的預測手段，對通風系統的設計具有一定指導意義。