船用脫硫系統(tǒng)導(dǎo)流裝置流場和阻力特性

卞修濤，蔡乾亞，陳 樂，羅亞萍，繆文杰

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引言

船舶海運(yùn)占國際貿(mào)易總量的90%，其巨大的貨物運(yùn)輸量也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，數(shù)據(jù)表明船舶行業(yè)NOX排放量占全球總量的10%，SOX排放量占總量的3%[1]；隨著國際貿(mào)易量的逐年增長，船舶行業(yè)對氣候的影響將愈加明顯。關(guān)于海洋船舶酸性氣體排放問題，已有多種脫硫方法[2-3]，其中一種有效且廣泛使用的方法是在船舶排氣系統(tǒng)中加裝脫硫裝置[4-5]，將原排放至大氣的酸性氣體進(jìn)行洗滌后部分或全部排入海中。針對該部分酸性洗滌水，考慮到近海環(huán)境污染問題，多國已出臺(tái)規(guī)定并限制船舶排放洗滌水的pH值，因此，在船用脫硫系統(tǒng)出口處加裝導(dǎo)流裝置十分必要，能夠降低洗滌水排出后的流速和壓力，增強(qiáng)酸性洗滌水與弱堿性海水摻混，確保酸性洗滌水排放達(dá)標(biāo)。

當(dāng)前，多種船用脫硫系統(tǒng)已加裝各類導(dǎo)流裝置，但不同流動(dòng)工況下的裝置壓損特性尚不明確，因此，多數(shù)脫硫系統(tǒng)管路布置仍使用能量富裕的方式，以彌補(bǔ)導(dǎo)流裝置對流動(dòng)的阻滯作用，而這必將導(dǎo)致船舶管路系統(tǒng)額外的能量損耗，且管路流體能量富裕不利于洗滌水與海水摻混。相比于試驗(yàn)方法，數(shù)值求解方法能夠快速獲取高精度計(jì)算結(jié)果，但采用三維計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法獲取脫硫系統(tǒng)管路阻力受到計(jì)算資源限制，其中，脫硫系統(tǒng)整體管路全三維CFD計(jì)算需要巨大的網(wǎng)格量支撐，且不同流動(dòng)工況下的大量CFD計(jì)算將耗費(fèi)巨大的計(jì)算資源。此外，脫硫系統(tǒng)一維管網(wǎng)計(jì)算雖然對計(jì)算資源要求較低，但缺少不同流動(dòng)條件下導(dǎo)流裝置的壓力損失或損失系數(shù)而無法進(jìn)行。因此，為合理設(shè)置脫硫系統(tǒng)管路流量和壓力等參數(shù)，有必要對導(dǎo)流裝置流場和阻力特性進(jìn)行分析。

基于上述問題，本文結(jié)合一維管網(wǎng)分析方法計(jì)算資源需求量低和三維數(shù)值模擬方法計(jì)算結(jié)果精度高的優(yōu)勢，對照閥門等管路部件損失系數(shù)變化特性，研究導(dǎo)流裝置流場和阻力特性，獲取裝置局部總壓損失系數(shù)，為脫硫系統(tǒng)壓力-流量關(guān)系匹配提供基礎(chǔ)，為脫硫系統(tǒng)管路布置提供指導(dǎo)。

1 數(shù)值方法

1.1 幾何模型和邊界條件

導(dǎo)流裝置幾何模型見圖1。已有多艘船舶安裝該導(dǎo)流裝置，為詳細(xì)分析其內(nèi)部流場特性，本文計(jì)算域忽略真實(shí)管路中彎頭等裝置影響。為能夠獲取穩(wěn)定、可靠的計(jì)算結(jié)果，以出口管徑作為特征長度，入口截面位于導(dǎo)流裝置上游1倍管徑處，出口截面位于裝置下游3倍管徑處。

圖1 CFD 數(shù)值仿真幾何模型

對于管內(nèi)流動(dòng)仿真，使用圖1(a)所示坐標(biāo)系，其中z為流動(dòng)方向，x為導(dǎo)流器側(cè)視圖方向，y為豎直方向，同時(shí)，x和y坐標(biāo)方向與導(dǎo)流裝置幾何結(jié)構(gòu)存在平行關(guān)系。導(dǎo)流裝置具體幾何結(jié)構(gòu)在圖1(b)中給出，導(dǎo)流裝置位于管路擴(kuò)張段，由截面為等腰三角形的2個(gè)三棱柱相交構(gòu)成，等腰三角形夾角α為106°，其他幾何參數(shù)見表1。

表1 幾何參數(shù)

在實(shí)船設(shè)計(jì)中，導(dǎo)流裝置靠近脫硫系統(tǒng)管路出口，其具體位置如圖2(a)所示，設(shè)計(jì)工況下，每個(gè)出口所通過平均質(zhì)量流量為125 kg/s，船舶運(yùn)行時(shí)管路出口位于水下2 m處，因而圖1(a)計(jì)算域CFD仿真中出口設(shè)置為壓力邊界條件，給定相對壓力為1.95×104Pa。

圖2 邊界條件求解方案

由于受到脫硫系統(tǒng)整體管路流動(dòng)影響，圖1(a)計(jì)算域入口處總壓參數(shù)難以獲取，CFD計(jì)算入口處需給定質(zhì)量流量邊界。

脫硫系統(tǒng)管路整體通流能力采用一維管網(wǎng)計(jì)算方法進(jìn)行求解，計(jì)算軟件選取為Applied Flow Technology公司的Fathom 9模塊，其管網(wǎng)阻力分析模型在圖2(b)中給出，圖中P1～P8為各段管道結(jié)構(gòu)，J1表征流動(dòng)入口，該系統(tǒng)中管路入口與脫硫塔出口相連，J8和J9表征流動(dòng)出口，位于水下2 m處，J2、J4和J5為變徑段，J3為連接三通，J6和J7為管路閥件。

在圖1(b)所示的擴(kuò)張段處，導(dǎo)流裝置的存在使流動(dòng)通流面積變?yōu)閳A管面積的1/3，且裝置交叉點(diǎn)位于管道主流區(qū)，假定導(dǎo)流裝置節(jié)流效應(yīng)明顯，局部總壓損失設(shè)置為10 kPa。

管網(wǎng)計(jì)算結(jié)果表明，圖2(a)中脫硫系統(tǒng)管路極限質(zhì)量流量可設(shè)置為209 kg/s，為研究不同流動(dòng)工況下導(dǎo)流裝置的局部阻力系數(shù)，入口邊界條件設(shè)置如表2所示。圖1(a)中導(dǎo)流裝置計(jì)算域所有壁面均采用無滑移邊界條件。

1.2 湍流模型及網(wǎng)格設(shè)置

求解器采用商用軟件Simcenter STAR-CCM+12.02，數(shù)值求解在并行計(jì)算集群中實(shí)現(xiàn)，表2中結(jié)果表明管路入口雷諾數(shù)均在105量級(jí)，參考管路閥門流場與阻力特性計(jì)算方法[6-7]并結(jié)合軟件功能，湍流求解選用雷諾平均方法中可實(shí)現(xiàn)的k-ε湍流模型。

表2 局部阻力系數(shù)工況入口邊界設(shè)置

為保證計(jì)算結(jié)果具有較高準(zhǔn)確度，全局采用多面體網(wǎng)格，考慮網(wǎng)格布局展示的清晰度，以10萬網(wǎng)格為例進(jìn)行展示，結(jié)果見圖3，固體壁面使用棱柱層網(wǎng)格生成方法以形成邊界層網(wǎng)格，網(wǎng)格加密過程中，邊界層網(wǎng)格和全局網(wǎng)格同時(shí)進(jìn)行均勻加密。在圖1(a)所示計(jì)算域中，沿坐標(biāo)軸z方向選用距離出口0.5D位置處截面作為特征截面，以該截面質(zhì)量流量平均后的總壓結(jié)果作為特征參數(shù)，分析網(wǎng)格無關(guān)性，質(zhì)量流量平均過程在式（1）中給出。

圖3 網(wǎng)格劃分（10 萬網(wǎng)格單元）

式中：w為坐標(biāo)z方向速度；ρ為流體密度；dξ為面微元或線微元；?為物理量?的質(zhì)量流量平均結(jié)果。網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果見圖4，當(dāng)全局網(wǎng)格加密至73萬時(shí)，出口特征截面處總壓參數(shù)已基本保持不變，后續(xù)計(jì)算將采用73萬網(wǎng)格進(jìn)行。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

2 導(dǎo)流裝置流場與阻力分析

2.1 流場分析

圖5為設(shè)計(jì)工況下流場流線分布結(jié)果，導(dǎo)流裝置對流場產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，流體流經(jīng)導(dǎo)流裝置后形成多個(gè)的漩渦，漩渦影響區(qū)域較大，對流動(dòng)產(chǎn)生阻滯作用。由于設(shè)計(jì)工況下流場整體流動(dòng)速度相對較低，導(dǎo)流裝置節(jié)流作用對速度幅值影響有限。

圖5 設(shè)計(jì)工況流場流線分布

圖6為中截面處流場總壓分布。由圖6可知：導(dǎo)流裝置的節(jié)流效果對流場總壓影響十分明顯，在節(jié)流裝置后形成一個(gè)雙峰低壓區(qū)，相比于入口位置，出口截面處總壓參數(shù)相對較低，出口處流體總壓參數(shù)降低有利于縮小酸性洗滌水的影響區(qū)域，降低酸性洗滌水對航行海域的影響，確保脫硫系統(tǒng)洗滌水排放達(dá)標(biāo)。

圖7為x=0.3D處流場總壓分布結(jié)果，相比于圖6中的結(jié)果，靠近流場出口處總壓較低，主要由于受到管壁邊界層影響，總壓損失較高；同時(shí)，流場下游低壓區(qū)的雙峰現(xiàn)象減弱，主要由于流動(dòng)遠(yuǎn)離導(dǎo)流裝置幾何交叉點(diǎn)，遠(yuǎn)離渦結(jié)構(gòu)核心區(qū)，受到豎直方向?qū)Я餮b置的影響減弱，在后續(xù)流動(dòng)研究中可對導(dǎo)流裝置進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步增大導(dǎo)流裝置處的壓降。

圖6 總壓分布，x=0

圖7 總壓分布，x=0.3D

2.2 阻力分析

在圖1(a)的計(jì)算域中沿坐標(biāo)軸z方向，以距離入口和出口0.5D位置作特征截面，應(yīng)用總壓損失系數(shù)ζ表征導(dǎo)流裝置局部阻力特性，其計(jì)算過程在式（2）中給出，其中：ΔPt為入口特征截面和出口特征截面總壓差；另外，以入口特征截面處面質(zhì)量流量平均后的密度及速度幅值作為特征參數(shù)，對總壓損失進(jìn)行無量綱化。

做出不同質(zhì)量流量入口條件下導(dǎo)流裝置阻力特性結(jié)果見圖8，圖8(a)為導(dǎo)流裝置總壓損失隨質(zhì)量流量變化結(jié)果，對于本文特定幾何模型的不可壓縮流動(dòng)而言，圖8中的總壓損失隨質(zhì)量流量呈指數(shù)關(guān)系變化，符合損失和流速的平方關(guān)系理論，也表明了計(jì)算結(jié)果的可靠性。

圖8(b)為導(dǎo)流裝置總壓損失系數(shù)ζ隨無量綱雷諾數(shù)變化特性曲線，總體而言，導(dǎo)流裝置總壓損失系數(shù)隨雷諾數(shù)變化較小。在選取工況條件下，裝置總壓損失系數(shù)變化區(qū)間為[3.64, 3.70]，若以3.64為基準(zhǔn)，其相對變化幅度為1.6%，在后續(xù)管網(wǎng)分析中可調(diào)用導(dǎo)流裝置總壓損失系數(shù)3.64用于管路阻力計(jì)算。此外，導(dǎo)流裝置損失系數(shù)隨雷諾數(shù)增大的變化關(guān)系為先降低后逐漸趨向平穩(wěn)，若將導(dǎo)流裝置和閥門歸于管路通用元件，其局部損失系數(shù)隨雷諾數(shù)變化曲線與電磁閥基本一致[8]，也相應(yīng)表明計(jì)算結(jié)果的合理性。

圖8 流動(dòng)損失隨來流參數(shù)變化特性

3 結(jié)論

本文結(jié)合一維管網(wǎng)分析方法和三維數(shù)值模擬方法計(jì)算優(yōu)勢，研究典型導(dǎo)流裝置流場與阻力特性，結(jié)果表明導(dǎo)流裝置節(jié)流效應(yīng)明顯，可顯著降低管路流場總壓；在選取的流量范圍內(nèi)，裝置總壓損失系數(shù)幅值隨雷諾數(shù)變化幅度較小；管網(wǎng)計(jì)算分析中可將該導(dǎo)流裝置總壓損失系數(shù)設(shè)置為3.64。針對導(dǎo)流裝置結(jié)構(gòu)模型及本文計(jì)算結(jié)果的可靠性，后續(xù)可相應(yīng)優(yōu)化并采用PIV等試驗(yàn)方法進(jìn)一步驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果。