劉麗麗+黃紅魁

摘 要：本文首先建立閉式船舶機(jī)艙模型，根據(jù)船舶機(jī)艙氣流組織方式，借助通風(fēng)常用的氣流組織方案，并利用ANSYS 對該通風(fēng)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得出相應(yīng)的溫度場和速度場分布，再根據(jù)機(jī)艙的熱環(huán)境結(jié)果分析并確定最佳通風(fēng)方案，包括通風(fēng)口的位置，通風(fēng)量的大小及分配問題。首先，對于某機(jī)艙空間進(jìn)行合理簡化，建立能反映主要特征的機(jī)艙模型;其次，針對結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對于機(jī)艙模型內(nèi)各部幾何特征，分別選取相應(yīng)的網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行每一部分網(wǎng)格劃分;最后，利用計算流體力學(xué)軟件的功能，選取適當(dāng)?shù)耐牧髁鲃幽Ｐ?、傳熱模型、邊界條件，進(jìn)行機(jī)艙內(nèi)空氣流動的三維數(shù)值模擬計算。

關(guān)鍵詞：機(jī)艙;氣流組織;數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.219

1 建立流動與傳熱基本控制方程

1.1 質(zhì)量守恒方程

如果流體為不可壓縮流體則方程可簡化為：

1.2 動量守恒方程

1.3 能量守恒方程

2 機(jī)艙通風(fēng)的物理模型

機(jī)艙初步設(shè)計內(nèi)部空間尺寸為：長21m、寬19m、高8.5m;分為上下兩層，上層放有兩臺相同型號的鍋爐，鍋爐蒸汽最大連續(xù)產(chǎn)量分別是1300kg/s;下層放有主柴油機(jī)發(fā)電組兩臺，功率分別是2000kw;輔機(jī)兩臺，功率分別是800kw。

3 閉式機(jī)艙所需通風(fēng)量的計算與結(jié)果分析

3.1 通風(fēng)量計算

根據(jù)所給數(shù)據(jù)及計算公式可得主機(jī)、輔機(jī)及鍋爐工作所需空氣量及散熱所需空氣量，據(jù)此可初步確定機(jī)艙所需的總通風(fēng)量：

其中：：空氣密度，一般取

;：取12.5K（在設(shè)計情況下，機(jī)艙內(nèi)空氣的溫度）;c：空氣的比熱容，一般取C=1.01kJ/kg.k;將計算結(jié)果代入公式可得qh=31.78m3/s。

3.2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

研究的流動是三維湍流，在求解器的選擇上應(yīng)選用3D，在計算精度上選擇單精度求解器即可。同時要打開能量方程求解器，并設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)，并需要對網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查，以便使迭代更好的收斂。此外，還要對流體、固體的物理性質(zhì)進(jìn)行合理的設(shè)置，最后在對界條件進(jìn)行合理的命名及設(shè)置，包括布風(fēng)口、排風(fēng)口的邊界條件;主輔機(jī)、鍋爐和管系等熱源邊界條件。在機(jī)艙內(nèi)平行船中平面分別取y=1m和y=4.16m處分析主輔機(jī)的通風(fēng)狀況，主機(jī)溫度場分布如圖1所示;輔機(jī)溫度場如圖2所示。

從以上兩張圖可以看出，在主機(jī)的左下角及上面都存在高溫區(qū)域，冷卻效果很差，而輔機(jī)左處的冷卻效果較好。通過分析經(jīng)過主機(jī)縱剖面的速度場可知由于左下角形成十分明顯的氣流漩渦，所以輔機(jī)上面的空氣流通性好。

4 方案改進(jìn)與結(jié)果對比分析

針對機(jī)艙內(nèi)存在的熱量匯聚和氣流漩渦等現(xiàn)象，要增加此處的空氣流動，因此設(shè)計中可在機(jī)艙后部設(shè)置兩個回風(fēng)門，同時主機(jī)上面的通風(fēng)口位置可相應(yīng)的提高，從而使主機(jī)部分得到更好的冷卻效果。

從圖3可見，在循環(huán)送風(fēng)和回風(fēng)，自然對流與熱源的共同作用下，整體溫度梯度已明顯減小。先前存在的氣流漩渦都已不復(fù)存在。在主機(jī)和機(jī)艙剖面處的高溫區(qū)域已得到改善，主機(jī)和輔機(jī)之間的氣流交換比較理想，散熱性較好，且主機(jī)和輔機(jī)整體的溫度分布也較為適宜。

5 結(jié)論

機(jī)艙的通風(fēng)效果是由機(jī)艙內(nèi)的氣流組織和進(jìn)風(fēng)量來決定的，機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)效果和氣流組織由機(jī)艙布風(fēng)口和排風(fēng)口的位置來決定的。在系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計中充分考慮排風(fēng)高度、送風(fēng)角度、排風(fēng)角度對整個系統(tǒng)的影響。可以有針對性的在溫度較高的區(qū)域增設(shè)風(fēng)口，這樣可有效增加艙內(nèi)氣體的流動性，減少氣流漩渦，避免造成氣流聚集。在數(shù)值模擬過程中采用了ANSYS軟件對對閉式機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)前后的效果進(jìn)行了仿真，結(jié)果較可靠，對通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計具有指導(dǎo)意義，也為相似的工程提供了參考借鑒。

作者簡介：劉麗麗（1989-），女，碩士，教師。endprint