基于CFD方法的機(jī)艙風(fēng)管風(fēng)量分配設(shè)計(jì)研究

巴海濤，金 玲

(中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433)

0 引言

目前機(jī)艙風(fēng)管的設(shè)計(jì)缺乏必要的仿真工具，設(shè)計(jì)人員在詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)中均憑借經(jīng)驗(yàn)和預(yù)估的風(fēng)阻計(jì)算值進(jìn)行機(jī)艙風(fēng)管的設(shè)計(jì)和放樣，缺乏精確的設(shè)計(jì)依據(jù)。在實(shí)際造船項(xiàng)目中，面對(duì)一些機(jī)艙緊湊、風(fēng)管布置復(fù)雜或部分艙室通風(fēng)要求比較高的工況時(shí)，僅憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的風(fēng)管時(shí)常會(huì)出現(xiàn)部分出風(fēng)口風(fēng)量不足甚至風(fēng)速過(guò)低的問題，導(dǎo)致在船舶碼頭調(diào)試期間出現(xiàn)增加風(fēng)機(jī)、調(diào)整風(fēng)管等返工情況。

目前，大量研究集中在整個(gè)機(jī)艙環(huán)境的溫度場(chǎng)模擬上[1]，而這些研究方法過(guò)于理論和學(xué)術(shù)化，對(duì)于實(shí)船的機(jī)艙風(fēng)管的通風(fēng)模擬較少提及，因而實(shí)際工程應(yīng)用指導(dǎo)意義不大。另外，一些文獻(xiàn)雖研究機(jī)艙的風(fēng)管[2]，但未提及確切的應(yīng)用方法，特別是對(duì)通風(fēng)附件的模型處理、實(shí)船的風(fēng)速測(cè)量和數(shù)據(jù)處理。

本文利用CFD軟件對(duì)某81 200 t散貨船機(jī)艙風(fēng)管進(jìn)行三維建模和仿真模擬計(jì)算，特別是對(duì)出風(fēng)口鋼絲網(wǎng)作為多孔介質(zhì)的模型處理以及對(duì)實(shí)船風(fēng)速測(cè)量和數(shù)據(jù)處理提出了建設(shè)性處理方法。

1 模型及邊界條件的設(shè)定

1.1 機(jī)艙風(fēng)管模型及設(shè)定條件

某81 200 t散貨船機(jī)艙左前風(fēng)機(jī)位于煙囪內(nèi)B甲板，設(shè)計(jì)流量為43 200 m3/h，通過(guò)結(jié)構(gòu)風(fēng)道和矩形風(fēng)管將風(fēng)送至集控室、機(jī)修間、機(jī)艙下平臺(tái)和機(jī)艙底層的左前區(qū)域。根據(jù)實(shí)際的放樣模型，進(jìn)行逆向三維建模(見圖1)；然后根據(jù)各個(gè)位置的通風(fēng)需要，初定各風(fēng)口設(shè)計(jì)規(guī)格、設(shè)計(jì)流量和設(shè)計(jì)風(fēng)速，見表1。各個(gè)出口的風(fēng)柵流通面積比取0.96，主結(jié)構(gòu)風(fēng)管采用5 mm厚度鋼板，主干管鋼板厚度為4 mm，支風(fēng)管鋼板厚度為3 mm。

1～17—出風(fēng)口序號(hào)。

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

將機(jī)艙風(fēng)管模型導(dǎo)入CFD軟件，在進(jìn)行模型前處理后，進(jìn)行風(fēng)管邊界劃分和網(wǎng)格基礎(chǔ)設(shè)定。網(wǎng)格模型采用表面重構(gòu)/多面體網(wǎng)格/棱柱層網(wǎng)格。對(duì)于各出風(fēng)口進(jìn)行網(wǎng)格加密，實(shí)際生成的是六面體網(wǎng)格，見圖2。

在邊界條件設(shè)定上，設(shè)定入口為恒定速度進(jìn)口，出風(fēng)口均為壓力出口，出風(fēng)口壓力采用大氣壓力。

物理模型的設(shè)定上，首先應(yīng)計(jì)算風(fēng)管內(nèi)空氣流體的雷諾數(shù)Re。

矩形風(fēng)管的水力直徑按下式計(jì)算：

(1)

式中：Dh為矩形風(fēng)管的水力直徑，mm；A為風(fēng)管截面積，mm2；P為橫截面周長(zhǎng)，mm。

(2)

式中：v為矩形風(fēng)管內(nèi)管道流速，m/s；υ為空氣的動(dòng)力黏度，υ=14.8×10-6m2/s。

選取有代表性的主結(jié)構(gòu)風(fēng)管和支路風(fēng)管計(jì)算雷諾數(shù)，見表2。對(duì)于工業(yè)管道，一般Re>2 000即可認(rèn)為是紊流，所以物理模型選擇K-E紊流模型[3]。

表1 各風(fēng)口規(guī)格及設(shè)計(jì)值

圖2 網(wǎng)格模型

表2 主結(jié)構(gòu)風(fēng)管和支路風(fēng)管雷諾數(shù)計(jì)算表

1.3 風(fēng)管出口鋼絲網(wǎng)模型處理

在風(fēng)管的每個(gè)出風(fēng)口處均配備防異物鋼絲網(wǎng)。為了提高計(jì)算精確性，實(shí)際計(jì)算中需要將各個(gè)風(fēng)管出口的鋼絲網(wǎng)定義成多孔介質(zhì)，并在軟件中定義該多孔介質(zhì)的慣性阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)。理論上，阻力系數(shù)的求解可采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法或?qū)嶋H模型計(jì)算方法，但因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件限制且通過(guò)設(shè)計(jì)手冊(cè)查得的局部阻力系數(shù)不夠精確，特采用實(shí)際模型計(jì)算方法來(lái)求解鋼絲網(wǎng)的阻力系數(shù)。

對(duì)實(shí)際使用的6 700 μm鋼絲網(wǎng)進(jìn)行1∶1建模，將鋼絲網(wǎng)放置在一直徑為60 mm、高為150 mm的空心圓柱體內(nèi)，見圖3。將圓柱體的側(cè)壁面定義為滑移壁面(此時(shí)系統(tǒng)默認(rèn)滑移壁面的阻力為0),該圓柱體進(jìn)出口壓力降即為鋼絲網(wǎng)的壓降值。

圖3 帶鋼絲網(wǎng)的空心圓柱體

分別測(cè)定入口風(fēng)速為2、4、6、8、10 m/s下鋼絲網(wǎng)的壓力降，通過(guò)已知的計(jì)算公式進(jìn)行擬合，可以得出鋼絲網(wǎng)的慣性阻力系數(shù)Pi=206.04，粘性阻力系數(shù)Pv=207.51。

2 機(jī)艙風(fēng)管風(fēng)量分配分析

2.1 機(jī)艙風(fēng)管初始風(fēng)量分配分析

按圖1模型進(jìn)行風(fēng)量計(jì)算，進(jìn)風(fēng)口定義為恒定速度進(jìn)口，出風(fēng)口鋼絲網(wǎng)指定為多孔區(qū)域，取常規(guī)鍍鋅板的粗糙高度為0.2 mm[4]。根據(jù)計(jì)算可以得出各風(fēng)口的出口平均速度。最終各風(fēng)口的風(fēng)量計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 風(fēng)管初始風(fēng)量計(jì)算表

從表3看出，在出風(fēng)口格柵或者調(diào)風(fēng)門全開的情況下，風(fēng)口風(fēng)量偏差較大，17個(gè)風(fēng)口中風(fēng)量偏差在20%以上的達(dá)到了9個(gè)；風(fēng)口4、5、8、9、10風(fēng)量過(guò)多，導(dǎo)致機(jī)艙下平臺(tái)和機(jī)艙底層的風(fēng)口風(fēng)量大部分都少于理論流量。從出風(fēng)口的速度標(biāo)量圖來(lái)看，單個(gè)風(fēng)口的出口風(fēng)速并非平均分布，呈現(xiàn)出較大的不規(guī)則性。

因風(fēng)口1、4、5、8、9、10距離主結(jié)構(gòu)風(fēng)道較近，空氣動(dòng)壓較大而實(shí)際阻力較小，造成這些出風(fēng)口的實(shí)際風(fēng)量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)風(fēng)量。而風(fēng)口2和風(fēng)口3所在的支路風(fēng)管是從次風(fēng)管底部引出的，需要依靠空氣靜壓送風(fēng)導(dǎo)致在臨近風(fēng)口風(fēng)量均偏大，因此風(fēng)量偏少。

在不改變風(fēng)管基本布局的情況下，可在風(fēng)量偏小的風(fēng)口處增加擋板，在風(fēng)量偏大的風(fēng)口處減少格柵開度或適當(dāng)增加調(diào)風(fēng)門角度，見表4。

表4 風(fēng)管風(fēng)量分配改進(jìn)措施表

2.2 風(fēng)管改進(jìn)后風(fēng)量分配

調(diào)整后的風(fēng)量分配結(jié)果見表5。協(xié)調(diào)后的出風(fēng)口風(fēng)量基本均勻，每個(gè)出風(fēng)口的實(shí)際風(fēng)量和設(shè)計(jì)風(fēng)量偏差控制在10%左右。如果風(fēng)口調(diào)整后各風(fēng)口風(fēng)量仍然出現(xiàn)大的偏差，那么就需要對(duì)風(fēng)管進(jìn)行調(diào)整，方法包括增加需要增大的出風(fēng)口側(cè)向設(shè)置內(nèi)部導(dǎo)流板；對(duì)有末端的直段風(fēng)管的數(shù)個(gè)出風(fēng)口采用逐級(jí)變徑，避免風(fēng)管截面的突然擴(kuò)大或縮小；在側(cè)向分支和直角折彎處，要盡量采用導(dǎo)流板及圓滑過(guò)渡。

3 風(fēng)管風(fēng)速實(shí)測(cè)驗(yàn)證

3.1 測(cè)量準(zhǔn)備與測(cè)量過(guò)程

為保證測(cè)試軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性，在某建造完成的81 200 t散貨船上進(jìn)行實(shí)測(cè)。放樣人員為了保證出風(fēng)口出風(fēng)，在每個(gè)風(fēng)管的中間段出風(fēng)口處增加了導(dǎo)流擋板(尺寸為250 mm×150 mm×45°)，增加在出風(fēng)口2、4、6、7、9、10處。本文在模型中也增加了相關(guān)擋板并進(jìn)行了計(jì)算。鑒于出風(fēng)口速度并不均勻，為更準(zhǔn)確地測(cè)得出風(fēng)口的平均風(fēng)速，風(fēng)量的實(shí)際測(cè)量采用5點(diǎn)測(cè)量取平均值方法(5個(gè)測(cè)量點(diǎn)分別位于矩形出風(fēng)口的四角位置和中心位置)。實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比見表6。

表5 風(fēng)管改進(jìn)后風(fēng)量計(jì)算表

3.2 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

由表6可以看出：實(shí)測(cè)平均風(fēng)速均大于計(jì)算平均風(fēng)速，平均偏差為28%左右。原因有以下幾點(diǎn)：

(1)風(fēng)柵包邊影響實(shí)際通流面積。風(fēng)管出風(fēng)口的鋼絲網(wǎng)或風(fēng)柵均有寬度約20 mm的包邊，部分可閉風(fēng)柵的端部開度不能達(dá)到100%。以常見的350 mm×300 mm鋼絲網(wǎng)為例，減去兩側(cè)包邊后實(shí)際通流面積為310 mm×260 mm，實(shí)際通流面積僅為原面積的77%左右。

(2)現(xiàn)場(chǎng)制作誤差。部分出風(fēng)口導(dǎo)流擋板未按照實(shí)際角度45°進(jìn)行制作，部分風(fēng)管因船東要求取消，造成實(shí)際風(fēng)管和模型有差異，這一部分影響無(wú)法預(yù)估且不容易消除。

(3)實(shí)測(cè)風(fēng)速測(cè)量誤差。采用5點(diǎn)測(cè)量平均值法將無(wú)法準(zhǔn)確得到該風(fēng)口的平均速度，故實(shí)際測(cè)得風(fēng)速和計(jì)算風(fēng)速之間存在一定誤差。在實(shí)際測(cè)量中，如需得到更精確的風(fēng)速，需要設(shè)計(jì)特定工裝，將出風(fēng)口完全罩住后，測(cè)量出口風(fēng)速。

3.3 風(fēng)速修正

綜合以上因素，因?qū)嶋H通風(fēng)面積減小，按照實(shí)際通流面積減小25%對(duì)計(jì)算風(fēng)速進(jìn)行修正(計(jì)算風(fēng)速的1.3倍)，修正后的計(jì)算平均風(fēng)速見表7。由表7可以看出：大部分風(fēng)口修正速度和實(shí)測(cè)速度偏差控制在10%之內(nèi)。考慮到部分風(fēng)口的制作和模型不一致且計(jì)算值基本隨實(shí)測(cè)值同向波動(dòng)，本文認(rèn)為模型選擇和計(jì)算值都是可靠的，可以用來(lái)計(jì)算并指導(dǎo)風(fēng)管設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

采用CFD仿真手段對(duì)機(jī)艙風(fēng)管內(nèi)的空氣流動(dòng)情況進(jìn)行仿真，可以極大地改善以往靠定性方法進(jìn)行機(jī)艙風(fēng)管設(shè)計(jì)帶來(lái)的風(fēng)量分配不均的不確定性，為機(jī)艙風(fēng)管設(shè)計(jì)和風(fēng)機(jī)選型提供指導(dǎo)，從設(shè)計(jì)源頭規(guī)避船舶建造完成后機(jī)艙風(fēng)管可能出現(xiàn)的各種問題。一方面，可以在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下實(shí)現(xiàn)風(fēng)管的改進(jìn)優(yōu)化，大大減少了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整工作量，提高了報(bào)驗(yàn)效率，減少了返工及進(jìn)度延誤風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，通過(guò)阻力校核，避免了過(guò)多的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)冗余，減少了訂貨成本。

CFD通風(fēng)計(jì)算分析在上建空調(diào)風(fēng)管、部分狹小艙室通風(fēng)等方面具有決定性的優(yōu)勢(shì)，使得船廠設(shè)計(jì)走向建模2.0時(shí)代，改變以往粗放的設(shè)計(jì)模式，向精細(xì)化設(shè)計(jì)邁進(jìn)，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)指導(dǎo)生產(chǎn)，設(shè)計(jì)為生產(chǎn)保駕護(hù)航。

表7 出風(fēng)口實(shí)際風(fēng)速測(cè)量和計(jì)算值對(duì)比