射流引風(fēng)裝置對船舶鍋爐艙室通風(fēng)系統(tǒng)的影響仿真

(中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064)

大噸位的船舶動力系統(tǒng)多采用蒸汽系統(tǒng)并設(shè)置有鍋爐艙室。船舶鍋爐艙中的動力設(shè)備眾多且布置緊湊，蒸汽管路眾多且走向復(fù)雜，鍋爐艙室熱量聚集，嚴(yán)重影響工作環(huán)境。有效的降溫手段以及合理的氣流組織對于改善鍋爐艙室乃至大空間動力艙室的通風(fēng)設(shè)計至關(guān)重要。有研究發(fā)現(xiàn)在機(jī)艙大型發(fā)熱設(shè)備集中的位置增加布風(fēng)口與排風(fēng)口，可以有效帶走大量的熱負(fù)荷并消除部分油氣的聚集[1]。對一艘3 100箱集裝箱船運用計算流體動力學(xué)軟件SC/Tetra對機(jī)艙內(nèi)的空氣流動進(jìn)行數(shù)值計算和模擬，獲得了整個機(jī)艙的氣流場和溫度場分布，并對機(jī)艙熱環(huán)境進(jìn)行分析，提出了若干種通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化措施[2]。對某型船動力艙利用計算流體動力學(xué)技術(shù)對艙內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了艙內(nèi)氣流速度場、溫度場及相對濕度場的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)采用艙室下部送風(fēng)，上部回風(fēng)的設(shè)計，同時將回風(fēng)口布置在熱流密度較高的鍋爐附近，可以很好地將艙內(nèi)高溫氣體及時排除，維持艙內(nèi)溫度場的平衡[3]。為了探究射流引風(fēng)裝置在鍋爐艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中的影響，結(jié)合鍋爐艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計，模擬四組鍋爐艙通風(fēng)系統(tǒng)布置方案，包括無射流引風(fēng)裝置的原通風(fēng)系統(tǒng)布置方案，以及三組包含射流引風(fēng)裝置的典型布置方案。其中對無射流引風(fēng)裝置原通風(fēng)系統(tǒng)布置方案的仿真，目的是分析艙內(nèi)氣流的流動情況及溫度場的分布，確定氣流不暢區(qū)域以及高溫區(qū)域，為后續(xù)方案中射流引風(fēng)裝置的布置提供依據(jù)，同時便于對比分析和驗證射流引風(fēng)裝置對艙內(nèi)氣流場和溫度場的影響。

1 控制方程

數(shù)值模擬計算基于有限體積法求解的N-S方程組。壓力-速度的耦合求解采用SIMPLE格式。模擬計算工具為ANSYS15.0。采用有限體積法，將計算區(qū)域劃分為一系列的連續(xù)體積，用一個基點來代替每個控制體積。

流體流動需要遵循流體運動定律，包括質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律等。

2 建模及網(wǎng)格劃分

模型通風(fēng)口的布置位置和面積等與實際情況保持基本一致。所建立的艙內(nèi)設(shè)備和通風(fēng)口的幾何模型見圖1，與實際尺度的比例為1∶1，包含了鍋爐、冷凝器等在內(nèi)的主要熱源設(shè)備，以及連接新風(fēng)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口，循環(huán)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口、入風(fēng)口，射流引風(fēng)裝置的出入風(fēng)口等。

圖1 艙內(nèi)設(shè)備和通風(fēng)口幾何模型(俯視)

對比模擬方案見圖2。方案1為無射流引風(fēng)裝置，方案2為兩側(cè)同向布置射流引風(fēng)裝置，方案3為單側(cè)同向布置，方案4為兩側(cè)反向布置。

圖2 3種射流引風(fēng)裝置布置示意

采用矩形計算域，長13 m，寬28 m，高13.8 m，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量為256萬。

3 邊界條件

重要的邊界條件包括新風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口邊界、循環(huán)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口邊界、發(fā)熱設(shè)備的邊界等。

根據(jù)新風(fēng)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)風(fēng)量、連接新風(fēng)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口數(shù)(共35個)、出風(fēng)口面積等計算確定新風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的速度邊界約為8 m/s，根據(jù)相關(guān)文件中所提供參考環(huán)境溫度確定溫度邊界。

與新風(fēng)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口邊界類似，根據(jù)循環(huán)風(fēng)機(jī)的送風(fēng)風(fēng)量、連接循環(huán)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口數(shù)(共27個)、出風(fēng)口面積等計算確定循環(huán)風(fēng)機(jī)出風(fēng)口的速度邊界約為10 m/s。根據(jù)射流引風(fēng)裝置的風(fēng)量及進(jìn)、出風(fēng)口通徑大小，射流引風(fēng)裝置出風(fēng)口的速度邊界約為18 m/s。

以單臺鍋爐的邊界為例。發(fā)熱量統(tǒng)計文件中所提供單臺鍋爐設(shè)備的發(fā)熱量約為70 kW，所建立單臺鍋爐設(shè)備的體積為69.062 m3、表面積為90.109 m2，由此計算得到單臺鍋爐設(shè)備的熱邊界為776.837 W/m2。

4 結(jié)果與討論

4.1 氣流場分析

模擬計算得到4個方案鍋爐艙內(nèi)不同類型風(fēng)機(jī)和射流引風(fēng)裝置所產(chǎn)生的氣流場情況，見圖3。

圖3 氣流場模擬結(jié)果

艙內(nèi)的氣流運動主要由連接新風(fēng)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口、連接循環(huán)風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口、循環(huán)風(fēng)機(jī)的入風(fēng)口、射流引風(fēng)裝置的入風(fēng)及出風(fēng)口等因素驅(qū)動。

從流線密集度方面分析，相對于無射流引風(fēng)裝置方案(即方案1)，有射流引風(fēng)裝置的鍋爐艙內(nèi)其氣流場流線分布更為均勻，更多的流線到達(dá)靠近艙壁處的位置，表明射流引風(fēng)裝置可以有效減小艙內(nèi)空氣滯止區(qū)的體積，并提高原滯止區(qū)內(nèi)空氣的摻混與交換，增強(qiáng)艙內(nèi)空氣的擾動；同時，流線更加密集，說明氣流的擾動水平更高。尤其在射流引風(fēng)裝置的出風(fēng)口前部，在射流裝置的有效作用距離內(nèi)，流線平直、氣流方向一致、流速較高，可有效地驅(qū)動射流引風(fēng)裝置布置位置附近的氣流，對氣流的驅(qū)動作用明顯。兩側(cè)反向布置射流引風(fēng)裝置的方案(即方案4)的模擬結(jié)果表明，其流線分布最為密集，說明其擾動相較為兩側(cè)同向布置(即方案2)，單側(cè)同向布置(即方案3)也更為充分，氣流在艙內(nèi)的分布更為均勻。

從流線方向方面分析，在無射流引風(fēng)裝置的通風(fēng)方案(方案1)中，預(yù)設(shè)的與新風(fēng)風(fēng)機(jī)及循環(huán)風(fēng)機(jī)相連的所有出風(fēng)口，其出風(fēng)方向均為垂直向下(相對甲板面)，其使得艙內(nèi)的氣流流向相對規(guī)則，流線方向基本為垂向。在開啟射流引風(fēng)裝置后，由于射流引風(fēng)裝置進(jìn)、出風(fēng)口水平布置，出風(fēng)口增加了水平方向的氣流流向，使得氣流場中的斜向流線明顯增多。得益于其較遠(yuǎn)的有效作用距離(約12 m)，射流引風(fēng)裝置不僅提高了氣流場內(nèi)的擾動水平，還可以在立體空間中有效組織氣流，從而提高動力艙通風(fēng)系統(tǒng)氣流場控制的靈活性。

4.2 溫度場分析

模擬計算得到4個方案下艙內(nèi)大部分區(qū)域的溫度值均處于41 ℃～60 ℃范圍，見圖4。

圖4 溫度場模擬結(jié)果

方案1仿真計算結(jié)果見圖4b)。分析圖4b)可以初步得到未使用射流引風(fēng)裝置情況下艙內(nèi)的高溫區(qū)域分布(高溫區(qū)域溫度高于其他區(qū)域溫度4 ℃以上)。高溫區(qū)域主要分布在艙內(nèi)左下部靠近排風(fēng)排煙圍阱一側(cè)。低溫區(qū)域的平均溫度約為41 ℃，集中在艙內(nèi)遠(yuǎn)離排風(fēng)圍阱的一側(cè)，高溫區(qū)域的平均溫度為52 ℃，集中在靠近排風(fēng)圍阱的一側(cè)。而在主要發(fā)熱設(shè)備附近區(qū)域，其溫度可達(dá)到或超過60 ℃，且其附近熱量按主要氣流方向擴(kuò)散。

溫度場仿真結(jié)果表明，開啟射流引風(fēng)裝置并未對艙室的平均溫度產(chǎn)生明顯影響(差異在1 ℃以內(nèi))。這與射流引風(fēng)裝置本身不制冷的特性相吻合，符合熱力學(xué)第一定律。但鍋爐艙內(nèi)的高溫區(qū)域分布受射流引風(fēng)裝置布置影響。

5 結(jié)論

1)射流引風(fēng)裝置投入運行，其前側(cè)氣流的流線平直、氣流方向一致，具有很高流速，對艙內(nèi)氣流的驅(qū)動作用非常明顯，整體上可提高艙內(nèi)空氣的擾動，有效減少空氣滯留區(qū)。

2)射流引風(fēng)裝置可增加艙內(nèi)水平方向的氣流流向，有效作用距離可達(dá)到12 m，兩側(cè)反向布置時，鍋爐艙內(nèi)的氣流場最為均勻。

3)射流引風(fēng)裝置對艙室的平均溫度無明顯影響，在鍋爐艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)從新風(fēng)風(fēng)機(jī)，循環(huán)風(fēng)機(jī)的角度考慮整體艙室的冷量供給。