某汽車運輸船貨艙風道通風數值模擬及優化設計

李邦華，張展飛，趙耀中，許浩

(1.上海船舶研究設計院，上海 201203;2.江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

通風系統是船舶最重要的系統之一，其設計是使得艙室擁有良好的空氣品質、合理的氣流組織，以及避免通風死角最重要的環節[1-2]。作為通風系統組成部分之一的風道是連接風機與貨艙的紐帶，其阻力由兩部分組成：①由氣流與管道壁摩擦及其本身所具有的黏滯性引起的沿程阻力；②由風道截面變化所產生的局部阻力。風道阻力直接影響了風機的選型，進而影響船舶的能耗，航運業已成為從法規角度強制性實施減少溫室氣體排放的行業，擁有低能耗的設計更易得到市場的認可和船東的青睞，因此，確定出影響風道風阻的關鍵因素及找到風道改進和優化的方法十分必要[3-5]。目前風道阻力主要是通過傳統的經驗公式進行計算[6]，此方法的準確性依賴于管道壁面摩擦系數及局部阻力系數的選取，而且不能考慮風道內構件對流場的影響也無法捕捉流場內的流動細節。計算流體力學(CFD)技術能夠很好地彌補傳統計算方法的不足，并且可以得到風道內流場的阻力分布情況，進而分析出對風道風阻影響較大區域，有針對性地對風道進行優化設計，利用CFD進行風道風阻計算和流場分析成為可能[7-8]。本文利用計算流體力學軟件STAR-CCM+，采用Realizableκ-ε湍流模型對貨艙風道通風進行數值模擬，確定出影響風道風阻的關鍵因素，以尋求減小貨艙風道阻力的方法。

1 貨艙風道通風數值模擬

1.1 幾何模型的建立及計算域的邊界條件

數值計算之前需對風道進行幾何建模，本文研究的滾裝船共計27個送風風道，選取其中一個典型的風道進行研究，此風道建好的幾何模型見圖1。

圖1 風道幾何模型

由圖1可見，該風道在船長方向為4檔肋距，船寬方向為750 mm，在垂直方向穿過4層甲板，此外在氣流進口有一段斗狀的過渡區，這是由于在氣流進口上方安裝有風機帽，而風機帽在船寬方向具有一定的幾何尺寸，為了使其不超過船舶舷側，氣流進口需向船舷內側偏移一定距離，但需注意的是斗狀區域的斜板不能影響通道和裝車數量。本船設計初期，在滿足結構強度的前提下，風道的設計：各層甲板開孔取700 mm×600 mm，見圖2；風道入口斗狀區域的斜板傾角為10°，見圖3；風道出口的開孔共計8個，開口大小為600 mm×800 mm，見圖4。

圖2 甲板開孔形式(單位：mm)

圖3 風道入口斗狀區域斜板角度

圖4 風道出口開孔(單位：mm)

氣流流場的計算域為風道壁面包圍的內域，其邊界條件的設置：氣流進口為速度入口邊界，用于給定來流速度；風道壁面設為壁面邊界條件；氣流出口設為壓力出口邊界條件。

1.2 湍流模型及網格劃分

由于本文在數值計算時考慮了空氣的黏性，氣流在流經風道時會有旋渦的產生，為了保證阻力計算結果的準確性，采用應用較多的Realizableκ-ε湍流模型進行模擬[2]。計算域網格的劃分采用Trimmer網格類型，考慮到風道壁面處流場的物理量變化較為劇烈，因此，在近壁面區域采用了邊界層網格。為了確保計算精度和計算收斂，經過網格的無關性驗證和收斂性判斷，最終確定出的計算域網格數量約60萬，網格劃分情況見圖5。

圖5 計算域網格劃分

1.3 計算輸入條件

空氣的密度取1.184 15 kg/m3；速度入口邊界給定的來流速度取該風道對應的風機容量與氣流進口面積的比值為13.35 m/s。空氣的動力黏度取1.855 1×10-5Pa·s。

1.4 結果分析

風道內流場速度分布云圖見圖6，從圖6中可以看出，在斗狀區域斜板附近、甲板開孔，以及風道出口區域的風速明顯高于其他區域。由于局部阻力與風速的平方成正比，因此，這些區域對阻力的影響不容忽視。

圖6 風道內流場速度分布云圖

圖7～8分別為風道內空氣流場的渦量分布圖和速度矢量圖，從圖中可以看出，由于空氣黏性的存在及受到風道內甲板開孔等局部構件的影響，氣流在流經甲板開孔、氣流出口等區域時，較為紊亂，尤其在風道底部形成了較為明顯的旋渦區域，這是傳統經驗公式無法考慮的流場細節，在此也體現了使用湍流模型的必要性。

圖7 風道內空氣流場渦量分布 圖8 風道內空氣流場速度矢量

為了進一步對計算結果進行分析，在STAR-CCM+中求得風道內主要部位的局部阻力，在此對其進行了標記，見圖9。從局部阻力的計算結果可以看出,氣流在通過甲板開孔時，流通面積減小，產生的局部阻力較大，在各甲板處局部阻力總和占總阻力的64%，此外隨著甲板開孔與氣流進口距離的增加，局部阻力數值大小有降低的趨勢；在風道出口處的局部阻力為18 Pa，占總阻力的8%；其余阻力損失主要源于風道入口段，考慮到風道入口處有斜板，斜板對風的流向產生了影響，也是產生局部阻力的原因之一。綜合風道內流場速度分布云圖和局部阻力分析結果，初定甲板開孔大小、風道入口斗狀區域斜板傾角及風道出口開孔大小為影響風道局部阻力的關鍵因素，因此,下文中將這些因素對阻力的影響進行重點討論。

圖9 風道局部阻力分布

2 主要因素對阻力的影響

2.1 甲板開孔大小

為了討論甲板開孔大小對風道總阻力的影響，選取4種甲板開孔方案，風道的其余結構設計與前文的初始設計保持一致。將各開孔方案下風道總阻力的計算結果進行對比，見表1。由表1可見，甲板開孔大小對阻力的影響十分明顯，隨著開孔的增大，風道總阻力迅速降低，這是因為局部阻力與風速的平方成正比，開孔的大小直接影響了風道的流通面積，開孔越大則風速越小，阻力也就越小，因此，在結構設計允許的情況下，建議甲板開孔盡可能開大。

表1 不同甲板開孔方案下的風道總阻力對比

2.2 風道入口斜板傾角

在分析風道入口斗狀區域斜板傾角對風道總阻力的影響時，取表2中的4種斜板傾角方案，其中使用50°傾角斜板會減少滾裝船的裝車數量，在此僅作為規律性的研究放入此表進行對比。此外，風道內其余結構的設計與初始方案保持一致。將各傾角方案下風道總阻力的計算結果進行對比(見表2)可知，斜板傾角與風道總阻力幾乎成線性關系，隨著斜板傾角的增大風道總阻力逐漸減小，但需要注意的是較大的傾角會影響裝車數量和通道高度，因此,在不影響裝車數量和通道的情況下斜板傾角取大為優。

表2 不同斜板傾角下的風道總阻力對比

2.3 風道出口開孔大小

為了討論風道出口開孔大小對風道總阻力的影響，取3種開孔方案。將各開孔方案下風道總阻力的計算結果進行對比，見表3，表3中所呈現出的規律為風道出口開孔越大總阻力越小，但由于風道出口處開孔的數量較多、開孔總面積較大，并且此處的局部阻力占總阻力比例較小，因此,在風道出口處開孔總面積較大的情況下，再增大此處開孔大小減阻效果并不明顯。此處開孔對風速有較大影響，因此,開孔大小還需根據氣流出口處所需的平均風速確定。

表3 不同風道出口開孔方案下的風道總阻力

3 風道優化方案

通過分析,甲板開孔大小對風道總阻力的影響較大，加之PCTC甲板層數較多，本文對甲板開孔進行重點考慮。優化后的甲板開孔在風道兩側有較大的甲板留邊，因為在風道的兩邊需鋪設絕緣材料，此外礙于保密要求開孔的具體尺寸未標出；雖然斗狀區斜板傾角增大可得到更低的總阻力，但較大的傾角會影響裝車數量和通道高度，因此，為了避免對裝車數量和通道造成影響，優化后的斜板傾角取35°；風道出口處的局部阻力占總阻力的比例較小，但出口開孔越大風阻越小，考慮到結構強度要求，最終開孔大小取600 mm×800 mm。

最后將優化前后的風道總阻力進行對比，見表4。從對比結果可知,優化后的風道總阻力為優化前的62%，減阻效果十分明顯。本文所采用的優化措施對于減少風道阻力，降低風機功率和船舶能耗有明顯的作用。

表4 優化前后風道總阻力的對比

4 結論

1)甲板開孔大小對總阻力的影響十分明顯，開孔的大小直接影響了風道的流通面積，從而影響了風速，而局部阻力與風速的平方成正比，隨著甲板開孔的增大總阻力會迅速減少。為了減少風道總阻力，建議在滿足結構強度的前提下，甲板開孔盡可能開大。

2)斗狀區域的斜板傾角與風道總阻力幾乎成線性關系，斜板傾角越大總阻力越小，在不影響裝車數量和通道最小凈高要求的情況下，斜板傾角越大越好。

3)由于風道出口處開孔總面積較大，且風道出口處的局部阻力占總阻力的比例較小，在風道出口處開孔總面積較大的情況下，增大開孔的減阻效果并不明顯。

4)優化后的風道總阻力為優化前的62%，表明采用的優化措施具有良好的減阻效果。