80 000噸級半潛船機艙通風系統數值模擬

馮擁軍，顧鑫鑫，郭月姣，董才道，馮國增

(1.江蘇科技大學 資產經營有限公司，江蘇 鎮江 212000；2.江蘇科技大學 能源與動力學院，江蘇 鎮江 212000)

0 引言

半潛船主要用于裝運超大、超重且不可分割的特殊物體，也可用來運輸大型海上石油鉆井平臺、大型船舶、預制橋梁構件等。半潛船功能多樣，可以實現上浮下潛，具有先進的動力定位系統。隨著深海資源的不斷開發和國際間合作項目的日益增多，半潛船的需求量必然增大。

船舶機艙作為船舶主動力驅動裝置放置的空間，機艙通風狀況的好壞對機艙內設備能否正常運行影響重大。船舶機艙通風的目的就是建立并維持機艙內適宜的環境條件(溫度、濕度、空氣流速、清潔度等),以保證柴油發電機、鍋爐燃燒所必須的空氣量，同時也要保證機艙內部良好的工作環境，改善機艙工作人員正常工作所需的環境。曾宏強等將全新風系統、循環冷卻加新風系統及射流通風3種方式進行對比，分析各自的優缺點；楊衛國提出一種應用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；郭昂等運用CFD技術對海監船機艙通風系統進行數值模擬，并對送回風口形式進行優化，改善了機艙內的氣流組織分布；趙楠等采用CFD仿真方法和通風評價指標，分析了機艙常規通風時的氣流溫度場，并在此基礎上引入射流通風，改善機艙的通風狀況；CHEN等運用CFD數值模擬方法研究機艙內不同通風方案下的風速、溫度和濕度分布，選擇合適的通風方案。

機艙內的氣流組織是由風口位置及風量大小決定的，風口高度的合理性會影響艙內氣體的流動性，減少渦旋的產生。本文以80 000噸級半潛船機艙為研究對象，應用Airpak軟件對不同風口布置高度的機艙通風進行數值模擬，找到合適的通風管道布置高度，以維護機器設備的穩定運行，保障工作人員正常的工作環境。

1 機艙結構及物理模型

1.1 機艙結構

80 000噸級半潛船設有前后2個機艙，機艙尺寸為48 m×22.5 m×9.2 m(長×寬×高)，2個機艙通風相互獨立。每個機艙分上下層，內設2道縱壁，將每個機艙分為6塊區域。機艙內有6臺發電機組、2臺鍋爐及電氣設備等。機艙通風系統設計需充分考慮結構的影響，確保機艙送風及排風順暢，使發電機組、鍋爐得到足夠的燃燒空氣，設備散發的熱量被充分帶走。

1.2 物理模型

根據機艙的實際結構尺寸，將其簡化為48 m×22.5 m×9.2 m(長×寬×高)的長方體結構，機艙內的主要熱源是柴油機和鍋爐，而電氣設備等散熱相對于柴油機和鍋爐較少，可以忽略不計。根據機艙內設備的實際結構尺寸，在不影響模擬結果的前提下，將艙內設備進行簡化，艙內設備及通風系統的數量和結構尺寸見表1。采用Airpak軟件建立機艙、艙內設備及通風系統的三維模型，見圖1。

表1 設備數量及尺寸

1—6 500 kW發動機；2—4 200 kW發動機；

2 數學模型

本文假設艙室內的空氣流動處于常溫、低速、不可壓的狀態，并符合理想氣體狀態方程和Boussinesq假設：

(1)密度變化除了對動量守恒方程浮升力項有影響外，對其他項的影響可忽略，室內空氣物性參數可視為常數。

(2)密度差與溫度差成比例，即：

(-)=(-)

(1)

綜合引入的湍流動能方程和湍流動能耗散率方程，得到的模擬室內氣流組織的控制方程組如下：

(1)連續性方程

(2)

(2)動量方程

(-)

(3)

(3)能量方程

(4)

(4)方程

(5)

(5)方程

(6)

式(1)～式(6)中：為參考密度；為流體密度；為容積膨脹系數，1/，取值為3.67×10；為流體溫度；為參考溫度；、為坐標位置；、分別為速度矢量在、方向上的分量，=1,2,3；為湍流粘性系數；為粘性系數；為湍流有效粘性系數；為時間；為重力加速度；為流體壓力；為湍動能；為湍流動能耗散率；、、、、、為常數，經驗常數取值可參考表2。

表2 常用經驗常數

3 模擬計算

根據船舶設計規范，機艙的通風量為柴油機鍋爐燃燒所需空氣量及排除機艙內設備散熱所需空氣量之和。通過計算得到機艙的總通風量為248 400 m/h，每個送風口風量為2.875 m/s，送風風速為2.995 m/s，送風溫度為35 ℃。排風量與送風量相等，則每個排風口風量為11.5 m/s。6 500 kW發電機的散熱量約為170 kW，4 200 kW發電機的散熱量約為150 kW，1 900 kW發電機的散熱量約為100 kW，鍋爐的散熱量約為40 kW。機艙墻壁為絕熱壁面；排煙風道由于保溫層隔熱作用，表面近似設置為恒溫60 ℃。

模型建立完成后，利用Airpak軟件對其進行網格劃分和獨立性驗證。監測點溫度隨網格數量的變化見圖2。最終選擇設置各向最大網格尺寸，網格數量為282 046。入口設為等速度入口邊界，出口設為流量出口邊界條件，采用了壓力-速度耦合求解器、SIMPLE算法和二階迎風離散方法，通過前期數值模型對比選擇了標準-湍流模型。

圖2 網格獨立性驗證

4 模擬結果與分析

選取典型截面的溫度場、速度場，對3種不同風口高度的機艙通風系統進行分析比較。

4.1 溫度場

設備表面溫度分布見圖3。從圖3可以看出，設備表面存在著明顯的溫度梯度，由下到上逐漸遞減，可見機艙通風系統對艙內設備表面有著明顯的散熱效果。但是，設備下表面的溫度依然較高，設備上表面溫度雖低，但也高于100 ℃，因此機艙通風系統只能排除部分設備產生的熱量，剩余熱量會使艙內溫度升高。根據設備表面溫度分布，如果不是必要情況，工作人員應盡可能遠離艙內工作設備，避免造成不必要的危險。圖3為不同送風高度對機艙內設備表面溫度分布的影響。從圖3可以看出，3種送風高度下，設備表面溫度分布相差甚微，說明不同送風高度對設備表面溫度分布影響不大。

圖3 設備表面溫度分布

圖4為截面=1.73 m處不同送風高度的溫度分布，即工作人員正常工作時人體呼吸區所在截面的溫度分布。在該截面上，溫度分布都相對均勻，平均溫度40 ℃左右，低于柴油機驅動船舶機艙要求設計的最高溫度50 ℃，人員在該環境下可以正常工作，不會出現明顯不適感。

圖4 Z=1.73 m處機艙平面溫度分布

風口布置高度為6.5 m時，溫度分布均勻性明顯好于其他兩種風口布置高度。出現這種狀況的原因是風口高度為7.0 m時，此時距離截面=1.73 m較遠，所在截面的溫度分布受設備散熱的影響較大；而由于排煙風道的中心線高度為5.0 m，排煙風管半徑為0.8 m，因此排煙風口和高度為6.0 m送風口距離過近，部分新風剛從送風口送入機艙，隨即又通過排煙風道排出，造成了能源的浪費，能源利用率降低，設備正常工作的散熱排出效率下降，不能有效改善機艙內的通風狀況。

4.2 速度場

圖5是截面=35 m處3種不同送風高度的送風口速度矢量圖。從圖中可以明顯看出，設備之間、設備與墻壁之間都產生了渦流。由于設備間的布置距離大小的關系，渦流數量和大小也相應受影響。渦流的存在增強了設備間空氣的擾動，有利于設備表面的散熱。

圖5 X=35 m處機艙平面速度分布

當送風風口高度為7.0 m時，空氣形成的渦流主要分布在機艙的中部，設備間的擾動相對于其他兩種送風風口高度的空氣擾動較弱，設備的散熱能力也相應較弱；當送風風口高度為6.0 m和6.5 m時，渦流主要分布在機艙中下部,但是送風風口高度為6.5 m時，渦流區平均速度為0.5 m/s左右，設備間渦流的擾動明顯更加劇烈，設備表面的散熱能力顯著，設備在此狀態下可以穩定運行，因此船上工作人員在此環境下工作，不適性會有所降低。

3種工況的模擬結果見表3。由表3可知，當送風口布置高度從7.0 m下降至6.0 m時，設備表面平均空氣速度逐漸降低，說明設備表面換氣效率有所提高；送風口平均送風速度和排風口平均排氣速度相差不大，說明風口布置的高度對送、排風風口速度影響不大。

表3 3種工況的模擬結果

5 結論

(1)應用Airpak軟件對80 000噸級半潛船機艙通風系統進行數值模擬，通過對溫度場、速度場進行分析，模擬結果可以對船舶機艙通風系統的設計提供參考。

(2)模擬結果表明：送風風口高度布置為6.5 m時，機艙內的速度、溫度分布都較為合理，機艙內設備可以穩定運行，人員正常工作無明顯不適感。

(3)雖然在人員工作區域溫度分布對人員正常工作無明顯不適感，速度分布也趨于合理，但是設備表面溫度依然較高，長時間工作會使周圍環境迅速升溫，可以考慮在設備工作區域添加輔助散熱設備，加速設備散熱，保障設備穩定運行。