江 宇，宋福元，李彥軍，吳國(guó)光

(哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引 言

船舶機(jī)艙是船舶的動(dòng)力樞紐部位，機(jī)艙內(nèi)發(fā)熱設(shè)備多，空間狹窄，合理的氣流組織設(shè)計(jì)一方面能排除艙內(nèi)廢熱，防止局部熱量、油霧及有害氣體聚集，為設(shè)備及工作人員提供良好的工作環(huán)境;另一方面也能有效地節(jié)省通風(fēng)資源，降低通風(fēng)能耗。

現(xiàn)代船舶機(jī)艙通風(fēng)大部分采用機(jī)械送、抽風(fēng)與自然排風(fēng)相結(jié)合的方式。本文模擬船舶以汽輪機(jī)為主動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，汽輪機(jī)與燃油鍋爐均放置在同一艙室，整體機(jī)艙空間較大，因此采用機(jī)械送、抽風(fēng)及自然排風(fēng)共同作用以達(dá)到良好的通風(fēng)效果。通過設(shè)置隔屏并調(diào)整機(jī)械抽風(fēng)口位置來(lái)改變艙內(nèi)的氣流組織形式，有效地解決了艙內(nèi)氣流漩渦。

1 機(jī)艙物理模型

機(jī)艙內(nèi)設(shè)備及管線眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，建立模型時(shí)必須進(jìn)行簡(jiǎn)化來(lái)使模型適合數(shù)值模擬計(jì)算。模型簡(jiǎn)化的基本原則是:對(duì)空間氣流流場(chǎng)產(chǎn)生作用較小且溫度影響不大的設(shè)備管線進(jìn)行移除;對(duì)結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，簡(jiǎn)化后對(duì)模擬結(jié)果影響較小的設(shè)備規(guī)則化;對(duì)厚度邊界做無(wú)厚度壁面處理;忽略風(fēng)管，在風(fēng)口段用立方體代替，底面為風(fēng)口;排、抽風(fēng)圍阱對(duì)流場(chǎng)影響小，以風(fēng)口面代替等。該船舶機(jī)艙模型空間大小為:長(zhǎng)21 m，寬13 m，高10 m，主要設(shè)備有汽輪機(jī)、鍋爐、渦輪增壓機(jī)組、高溫除氧器、等離子過濾器、部分煙氣管道等。該艙底層為鋪板層，沿高度方向分別為第1、2 格柵層，頂部為甲板層，風(fēng)口均布置在第1、2 格柵層下方，為防止送風(fēng)直吹發(fā)熱表面，造成較大熱應(yīng)力，風(fēng)口均采用矩形風(fēng)口，風(fēng)向垂直向下，尺寸大小為0.4 m×0.2 m 的風(fēng)口55 個(gè)，尺寸0.4 m ×0.28 m 風(fēng)口4 個(gè)(側(cè)45°方向增加局部繞流)。機(jī)艙簡(jiǎn)化后幾何模型如圖1所示。

圖1 機(jī)艙幾何模型Fig.1 Geometrical model of ship engine room

2 流體數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 流體數(shù)學(xué)模型

CFD 技術(shù)經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展，在計(jì)算流體流動(dòng)傳熱傳質(zhì)方面已經(jīng)非常成熟，本文通過CFD 軟件Fluent 模擬機(jī)艙內(nèi)氣流組織分布。機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)為湍流對(duì)流換熱問題，本文選用k－ε 模型，為獲得較好的模擬結(jié)果，提高模擬效率，對(duì)模擬進(jìn)行如下假設(shè)和簡(jiǎn)化:

1)機(jī)艙內(nèi)流體為不可壓流體，密度符合Boussinesq 假設(shè);

2)艙內(nèi)流體流動(dòng)及傳熱視為穩(wěn)態(tài)過程;

3)各壁面的輻射傳熱不計(jì);

4)艙內(nèi)氣密性良好，無(wú)空氣泄漏。通過簡(jiǎn)化和假設(shè)后，建立連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程及k、ε 方程進(jìn)行計(jì)算求解，其通用形式如下［1－2］:

式中:Ф 為通用變量，代表u，v，w 和T 等求解變量;ΓΦ為廣義擴(kuò)散系數(shù);SΦ為廣義源項(xiàng)。

2.2 邊界條件設(shè)置

利用Gambit 進(jìn)行幾何建模及劃分網(wǎng)格，因機(jī)艙內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，模型網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)風(fēng)口及重要發(fā)熱面進(jìn)行局部加密，網(wǎng)格數(shù)量為88 萬(wàn)。

艙內(nèi)通風(fēng)是采用典型的置換通風(fēng)與自然通風(fēng)相結(jié)合的形式，邊界條件設(shè)置如下:

1)送、回風(fēng)口邊界條件:送風(fēng)及機(jī)械抽風(fēng)口為速度入口邊界，送風(fēng)方向與出風(fēng)口面垂直。

2)自然排風(fēng)口邊界條件:通風(fēng)時(shí)保證艙內(nèi)正壓，因此自然排風(fēng)口采用壓力出口邊界。

3)固體壁面邊界條件:艙內(nèi)發(fā)熱固體壁面采用定熱流密度，壁面厚度為0。

3 設(shè)計(jì)方案及模擬結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)方案

機(jī)艙內(nèi)送風(fēng)口位置相對(duì)固定，采用下送上回的通風(fēng)方式，回風(fēng)進(jìn)入抽風(fēng)圍阱后通過管道與各風(fēng)機(jī)相通。本文設(shè)計(jì)鍋爐燃燒空氣量占總送風(fēng)量50%左右，從艙內(nèi)吸入會(huì)造成內(nèi)部各區(qū)域氣流壓力梯度過大，因此采用獨(dú)立系統(tǒng)從外界抽進(jìn)燃燒空氣。根據(jù)《ISO8861－1998 造船－柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)要求和計(jì)算基準(zhǔn)》進(jìn)行熱負(fù)荷及通風(fēng)量估算，得該通風(fēng)系統(tǒng)排除艙內(nèi)余熱所需風(fēng)量為160 000 m3/h，艙內(nèi)設(shè)計(jì)溫度54 ℃，送風(fēng)溫度39 ℃，風(fēng)機(jī)開度100%時(shí)，送風(fēng)口的設(shè)置送風(fēng)速度為9.4 m/s，考慮到送風(fēng)量對(duì)氣流組織及艙內(nèi)溫度的影響，設(shè)定送風(fēng)開度來(lái)進(jìn)行分析，分別為100%，85%，70%。

機(jī)艙環(huán)境的優(yōu)化可通過改變送、抽風(fēng)口位置形狀、面積及送風(fēng)量等來(lái)實(shí)現(xiàn)［3］。為獲得最佳氣流組織形式，該艙通過增大抽風(fēng)圍阱及隔屏來(lái)增加艙內(nèi)空氣擾流，防止大漩渦及通風(fēng)死角。理論上，機(jī)械抽風(fēng)口分布越多、抽風(fēng)圍阱尺寸越大會(huì)有效改善艙內(nèi)氣流組織，但是機(jī)艙內(nèi)空間狹小，因風(fēng)口而增加的風(fēng)管會(huì)減少艙內(nèi)可用空間;且過多地增加隔屏?xí)o工作人員管理維護(hù)帶來(lái)不便，經(jīng)過分析給定4 種調(diào)整方案來(lái)進(jìn)行研究，見表1。

表1 4 種通風(fēng)方案Tab．1 Four ventilation plans

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 氣流組織分析

計(jì)算收斂后，選取典型截面進(jìn)行分析。由圖1可以看出，兩鍋爐間至主機(jī)右側(cè)面區(qū)域散熱面積最大，流場(chǎng)也最復(fù)雜，因此截取y=－0.5 m 面進(jìn)行氣流組織分析，y=－0.5 m 截面如圖2所示。

圖3 為4 種方案在y=－0.5 m 截面的速度矢量圖。可以看出，圖3(a)在主機(jī)右側(cè)有大漩渦產(chǎn)生，該漩渦在y 方向速度很小，是死漩渦，該處氣流是鍋爐與主機(jī)右側(cè)面氣流匯集地，而且中心處于2 層格柵面，為人員工作區(qū)域，如不排除，可燃油霧及有害氣體將在此聚集。圖3(b)為方案2 在y=－0.5 m截面的速度矢量圖，與圖3(a)比較，增加抽風(fēng)口后，截面的流場(chǎng)沒有根本改變，也未消除此漩渦。

在假定機(jī)艙送風(fēng)口位置固定情況下，要消除漩渦和通風(fēng)死角，一般采用下列方法:一是設(shè)置障礙物。障礙物對(duì)室內(nèi)氣流組織有顯著影響［4］;二是布置空氣射流通風(fēng)系統(tǒng)［5］。由于氣流至底層后從下至上流動(dòng)，障礙物迎風(fēng)面不存在滯留區(qū)，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)成本問題，對(duì)主機(jī)右側(cè)安裝隔屏作為障礙物來(lái)消除此漩渦，隔屏位置如圖2所示。

隔屏寬4 m，高4.5 m，隔屏寬度與主機(jī)右側(cè)面寬度相同，底部立于1 層格柵之上，高度超過2 層格柵，此高度恰是漩渦上部回旋區(qū)頂部，氣流會(huì)在此高度與障礙物碰撞。如此布置會(huì)導(dǎo)致隔屏背風(fēng)面風(fēng)速較低，但較之漩渦此處氣流組織有很大改善。

從圖3(c)、圖3(d)為加隔屏后y=－0.5 m 截面的速度矢量圖?？梢钥闯?，中間大漩渦得以消除。圖3(c)氣流在經(jīng)隔屏上升后，受左側(cè)氣流擠壓部分繞過隔屏至隔屏右側(cè)，因右側(cè)送風(fēng)口較密集，造成右側(cè)鍋爐上部出現(xiàn)相對(duì)低壓，氣流繞過隔屏后大量向中部回流，在機(jī)艙通風(fēng)設(shè)計(jì)中，要盡量避免上部氣流回流，否則會(huì)使艙內(nèi)熱量和有害氣體無(wú)法排除，因此在通風(fēng)設(shè)計(jì)中，要分析氣流組織來(lái)確定排風(fēng)口及機(jī)械抽風(fēng)口位置，從而減少空氣在艙內(nèi)逗留時(shí)間。圖3(d)為設(shè)計(jì)方案4 在y=－0.5 m 截面的速度矢量圖，布置雙抽風(fēng)口后，鍋爐上部區(qū)域回流氣流明顯減少，一方面有利于艙內(nèi)熱量排出，另一方面使鍋爐上部氣流組織分布更加合理。

圖4 y=－0.5 m 截面速度等值線圖Fig.4 The isoline of velocity field at y=－0.5 m

方案4 在分析截面y=－0.5 m 的速度等值線圖如圖4所示，艙內(nèi)下部比上部平均氣流速度大，送風(fēng)垂直向下送至底部，依靠熱浮升力和風(fēng)壓上升排出，模擬結(jié)果顯示在送風(fēng)速度9.4 m/s情況下，艙內(nèi)平均速度為0.85 m/s，鋪板層上0.5 m 高度平面平均速度為1.2 m/s，自然排風(fēng)豎井面風(fēng)速2.5 m/s。

綜上所述，方案4 能消除氣流死漩渦，使艙內(nèi)速度場(chǎng)更加均勻合理，因此確定方案4 為最佳氣流組織形式。

3.2.2 溫度場(chǎng)分析

本文以加隔屏雙抽風(fēng)口的方案4 為研究對(duì)象進(jìn)行溫度場(chǎng)分析。機(jī)艙內(nèi)環(huán)境特殊，艙內(nèi)溫度控制主要是為工作人員從事管理維護(hù)工作提供環(huán)境保障，另一方面防止部分區(qū)域溫度超過設(shè)計(jì)規(guī)定造成對(duì)設(shè)備的不利影響。

1)工作區(qū)域內(nèi)溫度場(chǎng)分析

取z=－3.5 m 和z=－0.5 m 面，分別為鋪板層及1 層格柵上1.5 m 平面，此2 個(gè)面作為人員工作區(qū)域高度面，溫度分布如圖5 和圖6所示。

由圖5 和圖6 可以看出溫度分布比較合理。圖5 中鍋爐側(cè)的溫度較其他區(qū)域溫度偏高，此區(qū)域空間狹窄，發(fā)熱面大是溫度偏高的原因。圖6 中截面設(shè)備較少，在隔屏與主機(jī)間空氣流量大，溫度較之主機(jī)其他發(fā)熱面低。主機(jī)側(cè)面、主機(jī)與鍋爐間為工作人員管理維護(hù)重點(diǎn)區(qū)域，其中鋪板層和1 層格柵層是主要活動(dòng)面，通過計(jì)算，z=－3.5 m 和z=－0.5 m 面的平均溫度分別為321.3 K 和323.7 K，該區(qū)域溫度普遍低于平均溫度，在機(jī)艙環(huán)境下是理想的工作區(qū)域。

2)高度方向(z 方向)上溫度分布規(guī)律

在高度方向每隔1 m 截取一個(gè)平面，獲取其平均溫度，在高度方向上平均溫度變化如圖7所示。由圖7 可知，空氣經(jīng)送風(fēng)口送至艙室底部，在上升過程中與周圍環(huán)境進(jìn)行換熱，隨著高度增加，氣流溫度不斷升高，至7 m 左右時(shí)，溫度曲線變化較其他部分平緩，此時(shí)到達(dá)艙內(nèi)通風(fēng)中和面，這也是一個(gè)熱分隔層，在該面熱量達(dá)到最大，進(jìn)入該區(qū)域的余熱量占整個(gè)機(jī)艙余熱量的30%，艙內(nèi)浮升氣流量與送風(fēng)量達(dá)到平衡［6］。

3)風(fēng)機(jī)開度對(duì)艙內(nèi)平均溫度的影響

圖7 同時(shí)反映了風(fēng)機(jī)開度與艙內(nèi)溫度的聯(lián)系。3 種風(fēng)機(jī)開度的送風(fēng)溫度相同，因此艙底層面3 種開度的平均溫度相差不大，隨著高度增加，當(dāng)風(fēng)機(jī)開度降低，排除余熱所需的風(fēng)量減少，熱量上升，溫度升高，溫差逐漸增大，當(dāng)風(fēng)機(jī)開度為85%時(shí)，最高溫度面平均溫度329.2 K，在艙室頂部位置，其他溫度均低于設(shè)計(jì)溫度327.5 K，頂部區(qū)域設(shè)備及人員活動(dòng)較少，相對(duì)其他部位對(duì)溫度要求要低，在船舶動(dòng)力負(fù)載較低時(shí)可以采用85%風(fēng)機(jī)開度運(yùn)行，此時(shí)的送風(fēng)量能滿足機(jī)艙通風(fēng)需求。風(fēng)機(jī)開度70%時(shí)，艙內(nèi)溫度普遍偏高，非特殊情況不宜采用。風(fēng)機(jī)開度在100%時(shí)計(jì)算得艙內(nèi)平均溫度為323.7 K，85% 和70%時(shí)的艙內(nèi)平均溫度分別為325.2 K 和327.2 K，風(fēng)機(jī)開度降低，艙內(nèi)平均溫度將升高。

圖7 z 方向平均溫度曲線圖Fig.7 The graghs of average temperature at coordinate z

4 結(jié) 語(yǔ)

模擬結(jié)果表明，利用CFD 技術(shù)對(duì)機(jī)艙氣流組織進(jìn)行模擬分析是一種高效簡(jiǎn)潔的方法，獲得的結(jié)果是可信的。通過模擬分析可知:

1)合理的布置機(jī)械抽風(fēng)口能有效改進(jìn)艙內(nèi)流場(chǎng)，在艙內(nèi)增加隔屏作為障礙物并非完全是負(fù)面影響，在不影響艙內(nèi)設(shè)備運(yùn)行和人員工作情況下，增加隔屏能有效改變艙內(nèi)氣流組織。

2)自上而下的通風(fēng)方式能使各工作面溫度得到較好的控制，人員活動(dòng)區(qū)域溫度符合設(shè)計(jì)要求。

3)風(fēng)機(jī)開度直接影響艙內(nèi)溫度，通過改變風(fēng)機(jī)開度能節(jié)省通風(fēng)資源。

機(jī)艙內(nèi)環(huán)境的優(yōu)化有很多方式，可通過改變風(fēng)口數(shù)量、大小、形式、位置等，這些還需要進(jìn)一步的研究和補(bǔ)充。

［1］向立平，王漢青．空調(diào)客車內(nèi)氣流組織與污染物濃度場(chǎng)數(shù)值模擬［J］．中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，41(5):2017－2021．

XIANG Li-ping，WANG Han-qing．Numerical simulation of airflow and concentration fields in air-conditioning vehicle passenger compartment［J］．Journal of Central South University(Science and Technology)，2010，41(5):2017－2021．

［2］陶文銓．?dāng)?shù)值傳熱學(xué)第二版［M］．西安:西安交通大學(xué)出版社，2001．

［3］索文超，王憲成．船艇機(jī)艙空氣流場(chǎng)數(shù)值模擬研究［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2008，30(1):149－152．

SUO Wen-chao，WANG Xian-cheng．Numerical simulation of airflow field in ship cabin［J］．Ship Science and Technology，2001，30(1):149－152．

［4］戚大海．室內(nèi)障礙物對(duì)嵌入式空調(diào)室內(nèi)氣流組織的影響(D)．上海:上海交通大學(xué)．

［5］王鳳良，柴鎮(zhèn)江．水面戰(zhàn)斗艦艇機(jī)艙空氣射流通風(fēng)系統(tǒng)初探［J］．船舶，2007，(4):33－35．

WANG FENG-liang，CHAI Zhenjiang．Air jet ventilation system in main engine cabin of surface combat ship［J］．Ship＆ Boat，2007，(4):33－35．

［6］陳寧，張棟．船舶機(jī)艙機(jī)械通風(fēng)的計(jì)算與氣流組織分析［J］．艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31(3):73－76．

CHEN Ning，ZHANG Dong．Calculation of artificial ventilation and anlysis of airflow in ship engine room［J］．Ship Science and Technology，2009．31(3):73－76．