楊衛(wèi)國
(海軍駐上海地區(qū)艦艇設計研究軍事代表室 上海200011)
在船舶動力裝置中,發(fā)動機排氣噪聲是主要的噪聲源之一,因此必須對排氣系統(tǒng)配置消音設備進行降噪[1]。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展,船舶使命任務多樣化,特別是近年來隨著噴水推進裝置的應用,小噸位大功率高航速船舶得到較大發(fā)展。由于高速船舶空間緊張,大功率發(fā)動機設備布置空間受限,為了在確保性能的前提下解決好各方面矛盾,消音設備只能特殊設計,以解決消音器布置、降噪指標及背壓損失間的矛盾。由于數(shù)值模擬具有成本低、效率高、周期短的優(yōu)點,并且能提前預測,因此在工程實踐中得到了日益廣泛的應用[2-5]。本文介紹一款船舶主推進柴油機特殊排氣消音器的設計,解決了狹小空間的布置矛盾,并采用Fluent軟件模擬排氣系統(tǒng)內部流場、計算排氣系統(tǒng)流動阻力損失,結果滿足不大于2 200 Pa的系統(tǒng)阻力設計要求。
圖1是原發(fā)動機排氣系統(tǒng)布置方案圖。
圖1 原發(fā)動機設備結構設計圖
柴油機增壓器出口是541 mm×208 mm的方形管口,需要2個方變圓異徑管將排氣管變?yōu)棣?00圓管,然后匯合,再經φ850排氣管排出舷外。由于實際空間的限制,圖1這種傳統(tǒng)的布置方式將無法安裝排氣消音器。該船主機功率在5 000 kW,排氣噪聲量級高,若不安裝排氣消音器,則對環(huán)境影響嚴重。為了在有限空間內對排氣系統(tǒng)進行合理布局并改善排氣系統(tǒng)噪聲排放水平,本文根據(jù)原方案中φ600圓管彎管所占用的寬度,將舷側φ850排出口進行適當調整,設計了一款異形主機排氣消音器,消音器布置空間為3 700 mm×2 000 mm×1 300 mm,其布置如圖2所示。
圖2 異形主機排氣消音器
由于消音器是根據(jù)機艙空間量身定制,這樣的布置方式不僅解決了傳統(tǒng)消音器及排氣系統(tǒng)在本船無法布置的不足,同時可有效提高主機排氣噪聲的控制水平。但為了達到理想的設計航速,要求主機排氣系統(tǒng)阻力控制在不大于2 200 Pa的設計范圍內。
采用Fluent軟件對所設計的結構方案進行模擬,需要建立數(shù)學模型。流體作為物質的一種運動形態(tài),必須遵循客觀規(guī)律,如質量守恒、動量守恒、能量守恒等,這些規(guī)律可以通過數(shù)學公式來表示[3],對流體流動利用Boussinesq渦旋粘性假設,忽略質量力的可壓縮粘性氣體,排氣系統(tǒng)內流體運動Navier-Stokes方程組描述如下:
·連續(xù)方程
·能量方程
·狀態(tài)方程
·湍流方程
湍流方程采用k-ε方程,其中忽略了重力影響,決定于浮力的湍流生成G設為0,得到其輸運方程為:
式中:ρ為氣體密度;ui為氣體速度分量;p為氣體壓力;e為單位質量的內能;k為熱傳導系數(shù);τij為粘性應力張量;T為溫度;μ為動力粘性系數(shù);μT為渦旋粘性系數(shù),μT=ρCμ;Gk為湍動能,Gk=μTS2,式中)。 根據(jù) Launder B E等人的推薦值及后來學者實驗驗證,湍流模型常數(shù)取值為:C1ε=1.44,C2ε=1.92,Cμ=0.09,σk=1.0,σε=1.3。
要進行數(shù)值模擬首先要劃分網格,網格劃分的質量也影響計算的收斂性。針對主機消音系統(tǒng)建立計算模型,包括消音器進口下端的方變圓、消音器以及消音器出口后的排氣管路(見圖3),并對計算域進行網格劃分。
圖3 排氣系統(tǒng)計算模型
非結構化網格具有優(yōu)越的幾何靈活性,可以擬合任意的復雜形狀,其隨機的數(shù)據(jù)結構有利于進行網格自適應,而結構化網格適用于結構規(guī)則的區(qū)域。由于計算模型結構復雜,在消音器內部采用了非結構混合的網格,網格劃分如圖4所示。
圖4 排氣系統(tǒng)計算網格圖
根據(jù)增壓器出口廢氣流量21.2 m3/s以及氣流平均密度0.58 kg/m3,可以計算出排氣質量流量為12.3 kg/s。由于有兩個進口,因此取進口質量流量為6.15 kg/s;出口設為壓力出口,取一個大氣壓為出口背壓,在計算中此值設置為參考壓力;壁面條件設置為壁面無滑移。
排氣系統(tǒng)內部結構比較復雜,產生局部阻力損失的部位較多。為了計算不同部位阻力損失大小,因此需要取一些截面壓力進行監(jiān)測。本文除入口和出口外,還取了6個內部截面,如圖2所示。
根據(jù)模擬結果可得排氣消音器各部分壓力及壓力損失,如表1所示。
表1 排氣系統(tǒng)各部分總壓損失表
為了考核主機排氣消音器本身的阻力性能,在入口流場均勻的情況下,計算得到主機排氣消音器的阻力損失約為932 Pa;由于方變圓長度較小,導致消音器入口處流場不均勻,使得消音器的阻力損失有所增加,系統(tǒng)匹配計算中消音器的阻力約為1 302 Pa。
總體而言,在入口流場均勻的情況下,估算排氣系統(tǒng)總的阻力約為1 571 Pa,在入口流場不均勻的情況下,計算排氣系統(tǒng)總阻力約為1 941 Pa。
圖5和圖6分別顯示了排氣系統(tǒng)內部截面速度和壓力分布,可以看出在入口處速度較高,進入膨脹通道后,直接沖擊在頂板上,造成流場速度不均,在進入右邊的膨脹腔后,速度降低且變均勻,在彎頭及截面突變處,壓力變化較大,說明阻力損失主要受局部阻力影響。
圖5 排氣系統(tǒng)內部速度截面分布
圖6 排氣系統(tǒng)內部靜壓截面分布
圖7和圖8分別是排氣系統(tǒng)內部截面速度和壓力分布,可以看出由于內部導流板的作用,形成了多腔細連通道,增加了膨脹腔數(shù)目,有利于消減噪聲。
圖7 排氣系統(tǒng)內部速度截面分布
圖8 排氣系統(tǒng)內部靜壓截面分布
從上述計算結果可以看出:在消音器入口流場均勻的情況下,消音器本體阻力約為932 Pa,排氣系統(tǒng)總阻力約為1 571 Pa;因消音器入口流場不均勻,消音器阻力約為1 302 Pa,總阻力約為1 941 Pa。經試航測量,在有效降低排氣噪聲的情況下,主機排氣系統(tǒng)總阻力約為1 600 Pa,說明消音器在實際工作中入口流場比較均勻。因此,所設計的消音器及整個排氣系統(tǒng)的阻力能滿足不大于2 200 Pa設計使用要求。
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