姚正鋼， 倪崇本， 姚 雯

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

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結(jié)構(gòu)風(fēng)管通風(fēng)分析與優(yōu)化研究

姚正鋼1， 倪崇本2， 姚 雯2

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

主要選取海洋工程平臺內(nèi)機艙和變壓器間的結(jié)構(gòu)風(fēng)管作為載體，運用HyperMesh和Fluent數(shù)值模擬軟件作為工具，對通風(fēng)管道系統(tǒng)進行流場分析，繪制管道阻力曲線和風(fēng)管內(nèi)速度矢量，對結(jié)構(gòu)風(fēng)管進行優(yōu)化，并與優(yōu)化前的管道通風(fēng)系統(tǒng)進行對比，以此來提升通風(fēng)效率。通過數(shù)值模擬可以為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計提供依據(jù)和參考。

計算流體力學(xué) 氣流組織 數(shù)值模擬 優(yōu)化

0 引言

通風(fēng)管道就是把符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的新鮮空氣輸送到各艙室需要的地點，把艙室內(nèi)局部地區(qū)或設(shè)備散發(fā)的污濁、有害氣體直接排送到艙外或經(jīng)凈化處理后排送到艙外的管道。管道系統(tǒng)包括通風(fēng)除塵管道、空調(diào)管道等，作用是把通風(fēng)進氣口、空氣的熱、濕及凈化處理設(shè)備、送(排)氣口、部件和風(fēng)機連成一個整體，使之有效運轉(zhuǎn)[1]。通風(fēng)管道系統(tǒng)設(shè)計的目的是，在滿足規(guī)范要求和保證使用效果的前提下，合理組織氣體流動，實現(xiàn)管道阻力最小，使系統(tǒng)制造和日常運行維護費用最優(yōu)。

船舶、海工結(jié)構(gòu)風(fēng)管，是一種附著在船舶結(jié)構(gòu)上的通風(fēng)管道，結(jié)構(gòu)風(fēng)管作為通風(fēng)系統(tǒng)的主通道，不但可以節(jié)省空間，而且加強了結(jié)構(gòu)強度。結(jié)構(gòu)風(fēng)管大部分為矩形，較方便制作，不同的區(qū)域?qū)τ诮Y(jié)構(gòu)風(fēng)管的形狀、厚度有不同的要求，它的作用主要是通風(fēng)換氣。船舶機艙通風(fēng)的目的是降低機艙溫度，排除機艙內(nèi)的油氣和水蒸氣，向機艙內(nèi)供應(yīng)充足的新鮮空氣，從而保證動力裝置的正常工作以及改善機艙管理人員的工作條件和衛(wèi)生條件。計算流體力學(xué)(簡稱CFD),是用電子計算機和離散化的數(shù)值方法對流體力學(xué)問題進行數(shù)值模擬和分析的一個新分支，應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)在模擬通風(fēng)分析方面實現(xiàn)了應(yīng)用，通過對船舶的通風(fēng)系統(tǒng)進行數(shù)值模擬，分析結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)的氣流組織形式，提出氣流組織的優(yōu)化方案。對結(jié)構(gòu)風(fēng)管建立流體數(shù)學(xué)模型和設(shè)置邊界條件，通過模擬的方法來實現(xiàn)對通風(fēng)系統(tǒng)的分析，為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計、優(yōu)化提供支持[2]。

1 風(fēng)管流場建模技術(shù)分析

結(jié)構(gòu)風(fēng)管是通風(fēng)系統(tǒng)的主通道，由風(fēng)機將外界新鮮空氣送到各艙室內(nèi)，與艙室內(nèi)氣體進行交換，排除有毒有害氣體，同時降低艙室內(nèi)的溫度[3]。模擬結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)氣流組織，首先要建立結(jié)構(gòu)風(fēng)管的三維CAD模型。文中通過二維CAD圖紙，根據(jù)各種型材、板材之間的相對布置，在AUTOCAD軟件中直接三維建模(見圖1)，建立了結(jié)構(gòu)風(fēng)管的簡化三維模型。

圖1 結(jié)構(gòu)風(fēng)管三維模型

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)劃分網(wǎng)格軟件HyperMesh要求對模型簡化處理，根據(jù)以往劃分網(wǎng)格的經(jīng)驗，先選擇合適的網(wǎng)格類型、尺寸、數(shù)量等，然后對模型的出入口條件進行設(shè)置，導(dǎo)入Fluent模擬計算軟件格式的計算模型，下面簡單介紹劃網(wǎng)格過程。

1.1 幾何導(dǎo)入、修復(fù)與清理

從已有的機艙與變壓器間布置圖模型文件中抽取機艙的結(jié)構(gòu)風(fēng)管模型，對機艙風(fēng)管布置圖中多余的模型進行刪除，導(dǎo)入到HyperMesh軟件當(dāng)中，在通常情況下我們需要簡化模型，這樣對于得到更好的網(wǎng)格質(zhì)量十分重要。

1.2 面網(wǎng)格劃分

HyperMesh軟件的強大功能就是自動劃分網(wǎng)格，通過設(shè)置網(wǎng)格的尺寸、類型能夠快速地在一個面或者多個面自動生成網(wǎng)格。我們設(shè)置容差來檢查出不滿足最小尺寸的網(wǎng)格單元，觀察網(wǎng)格排列是否整齊，不規(guī)則的地方可以重新劃分。網(wǎng)格劃分的思路是由面網(wǎng)格引出體網(wǎng)格，由于面網(wǎng)格的質(zhì)量決定了體網(wǎng)格的質(zhì)量，因此面網(wǎng)格的質(zhì)量決定了總體網(wǎng)格的質(zhì)量。

1.3 體網(wǎng)格劃分

對于體網(wǎng)格的形式，我們采用的是四面體網(wǎng)格，原因是：對于復(fù)雜的模型，劃分體網(wǎng)格都是依靠自動或半自動網(wǎng)格生成器產(chǎn)生，一般的三維域不能總是被分解為規(guī)則的六面體網(wǎng)格或其它類型網(wǎng)格，但它可以隨時被劃分為規(guī)則的四面體網(wǎng)格；對于比較大的模型，四面體網(wǎng)格計算速度最快，減少了計算時間且存儲空間顯著；考慮到相等的精確性和時間等因素，我們選用四面體網(wǎng)格。

1.4 網(wǎng)格區(qū)域的映射性

我們創(chuàng)建實體單元，可以從節(jié)點、曲面、實體幾何創(chuàng)建，在實體網(wǎng)格劃分過程中，經(jīng)過編輯的實體需在某個方向或者三個方向上可映射，我們稱這種屬性為可映射性，即要保持網(wǎng)格之間的連續(xù)性。區(qū)域劃分的目的就是使用邊界線和切割線分割實體，使每一塊實體都成為可映射形式，在平面的二維網(wǎng)格指引下，生成三維實體網(wǎng)格，然后由一個實體映射到另一個實體，最后生成完整的有限元模型。

1.5 單元質(zhì)量和檢查

單元的質(zhì)量決定了計算結(jié)果的精度，通過一些指標(biāo)可以清楚地顯示出單元質(zhì)量的好壞。常用的單元質(zhì)量指標(biāo)為偏斜度、長寬比、翹曲度、雅可比等。對于劃分的網(wǎng)格，大部分都是連續(xù)的，我們設(shè)定壁面條件為流場邊界。為了模擬流場的實際情況，設(shè)置擋板處和小肋板處的網(wǎng)格不連續(xù)，為插入邊界，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格壁面條件圖

2 風(fēng)管數(shù)值模擬仿真與優(yōu)化

結(jié)構(gòu)風(fēng)管的計算模型導(dǎo)入軟件后，對計算結(jié)果進行處理，即可得到通風(fēng)管道內(nèi)的壓力、速度矢量圖。通過對優(yōu)化前后整個結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)的速度、壓力分析，可以得到管道內(nèi)通風(fēng)量的變化，驗證是否滿足各艙室設(shè)計要求的通風(fēng)量，為管道的通風(fēng)設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù)和參考。

2.1 結(jié)構(gòu)風(fēng)管的模擬仿真

2.1.1 創(chuàng)建計算模型

通過提供的機艙與變壓器間布置圖與三維模型文件(dxf格式)為基礎(chǔ)，從模型文件中抽取機艙與變壓器間的風(fēng)管模型，導(dǎo)入HyperMesh軟件中，并對風(fēng)管內(nèi)部的流場區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。

圖3 風(fēng)管內(nèi)流場網(wǎng)格模型

2.1.2 設(shè)定物理模型

風(fēng)機風(fēng)量采用的是360 000 m3/h，按照矩形風(fēng)管的空氣流速公式：

V=L/AB

式中：V為流速；L為流量；A、B分別為長和寬。對風(fēng)管截面面積估算后，風(fēng)管內(nèi)最大風(fēng)速約為50 m/s，約為0.16馬赫。按歐拉方程分析氣體流動中密度變化：

式中：Ma為馬赫數(shù)；p、v分別是密度和速度；若Ma<0.3，密度變化可以忽略，屬于不可壓縮流動范疇，視為無壓縮氣體流動。氣體在管道內(nèi)流動時，流動狀態(tài)分為層流和湍流，流體質(zhì)點的軌跡中規(guī)則的光滑曲線為層流，不規(guī)則運動的是湍流。根據(jù)雷諾數(shù)公式：

Re=ρvd/η

式中：ρ為空氣密度；v為流速；d為管道等效直徑；η為空氣運動粘性，取0.133×10-5Pa·s，通過計算得出雷諾數(shù)為3.6241×107，臨界雷諾數(shù)一般取值為2 000～4 000，當(dāng)Re遠大于4 000，認為氣流為充分發(fā)展的湍流運動，而且需要考慮產(chǎn)生的渦漩，我們采用目前廣泛使用的Realizable k-ε湍流模型。

+Gk-Gb+ρ ε-Ym+Sk

式中:Gk和Gb分別是由平均速度和浮力所引起的湍流動能k產(chǎn)生項。在船舶與海工結(jié)構(gòu)風(fēng)管中不存在隨時間變化邊界條件等因素，因此選用定常流模型。

2.1.3 設(shè)置邊界條件

將網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為計算流體力學(xué)軟件Fluent的輸入格式后，對風(fēng)管內(nèi)流場進行分析。風(fēng)管內(nèi)流場邊界條件如圖4所示，進風(fēng)口為質(zhì)量流入口，出風(fēng)口為壓力出口。根據(jù)設(shè)計信息，變壓器間排風(fēng)扇靜壓為300 Pa，設(shè)定變壓器間出風(fēng)口與機艙出風(fēng)口壓差為300 Pa，即

P機艙-P變壓器間= 300 Pa

圖4 計算模型邊界條件

設(shè)置風(fēng)管管壁作為壁面，取常規(guī)鍍鋅板的粗糙高度0.2 mm。風(fēng)機排風(fēng)口為速度邊界，取額定風(fēng)量360 000 m3/h，將速度方向設(shè)定為Z軸正方向流出。進氣口邊界壓強為大氣壓，由于邊壁或流量的變化，均勻流在局部地區(qū)遇到干擾，使氣流的大小、方向和分布產(chǎn)生變化，甚至產(chǎn)生渦流，由此產(chǎn)生局部損失[5]。其局部流動阻力表述為

式中：ζ為局部阻力系數(shù)；v為局部空氣流速,m/s。根據(jù)廠商提供的阻力系數(shù)；ζ排風(fēng)=2.0，空氣=1.24 kg/m3，擬合后的局部流動阻力為

z=1.24·v2

減小局部阻力著眼于防止或推遲氣流與壁面的分離，避免漩渦區(qū)的產(chǎn)生或減小漩渦區(qū)的大小和強度[4]。把計算的阻力結(jié)果輸入邊界條件，不對流速或壓力進行假定，可以更加真實地反映實際流動情況。控制方程采用SIMPLE方法求解，壓力項采用標(biāo)準(zhǔn)離散格式，動量項、對流項和擴散項均使用二階迎風(fēng)格式離散。進行迭代計算后流場趨于穩(wěn)定，然后對流場內(nèi)流速較高的網(wǎng)格，以及速度梯度較大的網(wǎng)格進行自適應(yīng)細分，以反映流場的細節(jié)。網(wǎng)格自適應(yīng)后再次進行迭代計算，直至計算收斂。

2.1.4 管路阻力與實際風(fēng)量計算

按照計算實際風(fēng)量的需求，計算管路阻力以繪制管路阻力ptf曲線。共取4個工況，分別為通風(fēng)量30×104m3/h、32×104m3/h、34×104m3/h和36×104m3/h，對應(yīng)的管路阻力計算結(jié)果見表1。

表1 管路阻力計算結(jié)果

兩個進風(fēng)口各配一臺風(fēng)機 (Novenco S31 A-B)，廠家提供的風(fēng)機曲線如圖5所示。

圖5 Novenco S31 A-B風(fēng)機曲線

風(fēng)機葉片安裝角為58°，擬合風(fēng)機曲線和管路阻力曲線后得出單臺風(fēng)機實際氣體流量應(yīng)為qv= 47.4 m3/s，管路阻力ptf = 1 820 Pa，如圖6所示。

圖6 管路阻力與實際風(fēng)量計算

運轉(zhuǎn)點就是性能曲線和阻力曲線的交點，因為這一點上的動力矩和阻力矩相等，可以使風(fēng)機可持續(xù)勻速運轉(zhuǎn)。如果阻力大于額定動力，則風(fēng)機功率偏小，導(dǎo)致帶不動或超載運行而燒壞電機，如果阻力小于額定動力，則風(fēng)機輕載運行，浪費了一部分功率。通過圖6我們可以看出，風(fēng)機的運轉(zhuǎn)點就是流量為qv= 47.4 m3/s所對應(yīng)的點，折算后機艙與變壓器間實際通風(fēng)量約為341 280 m3/h。

2.1.5 風(fēng)量分配計算

按照實際通風(fēng)量設(shè)置流場邊界條件，利用Fluent軟件計算機艙與變壓器間各出風(fēng)口的送風(fēng)量分配，結(jié)果見表2。

表2 機艙與變壓器間送風(fēng)量分配

根據(jù)計算結(jié)果，大約僅10%的通風(fēng)量分配到變壓器間。對風(fēng)管內(nèi)流場進行分析，風(fēng)管內(nèi)壓力分布如圖7所示。圖7中右側(cè)風(fēng)管的直角彎處壓力損失較大(見畫圈處)。

圖7 風(fēng)管內(nèi)壓力分布

圖8(a)為結(jié)構(gòu)風(fēng)管與變壓器間風(fēng)管連接處速度矢量，顯示大部分氣體直接從出風(fēng)口進入機艙，僅少量氣體進入變壓器間風(fēng)管?？梢钥紤]加裝導(dǎo)流板以改善變壓器間通風(fēng)狀況。圖8(b)為變壓器間風(fēng)管內(nèi)速度矢量圖，顯示變壓器間風(fēng)管中間段內(nèi)基本無氣體流動，是左右兩側(cè)風(fēng)機通風(fēng)的分界點。該位置靠近左側(cè)風(fēng)機，右側(cè)風(fēng)機送風(fēng)路程較長，沿程損耗較大。

圖8 結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)速度矢量圖

速度矢量圖可以直觀地表示速度的大小、方向和渦流情況，模擬了氣體在管道中的流動狀態(tài)。網(wǎng)格單元是最小的分析實體，在網(wǎng)格的中心用剪頭表示矢量，用顏色和長度表示大小。因此選用速度矢量圖來對結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)氣流組織進行分析。通過機艙與變壓器間模型和風(fēng)機參數(shù)為基礎(chǔ)，進行通風(fēng)流場的計算與分析，得出機艙與變壓器間實際通風(fēng)量計算結(jié)果為341 280 m3/h，其中變壓器間30 498 m3/h，機艙310 782 m3/h。我們分析認為變壓器間與機艙通風(fēng)量分配不均問題較為突出，可采取的改進措施如下：

(1) 加裝導(dǎo)流板，增加變壓器間通風(fēng)量[6]；

(2) 選用其他型號的變壓器間排風(fēng)扇，加大機艙與變壓器間壓差(當(dāng)前為300 Pa)；

(3) 縮短變壓器間送風(fēng)長度，可考慮將直角彎改為兩個45°彎、風(fēng)口位置前移縮短與風(fēng)機距離。

2.2 結(jié)構(gòu)風(fēng)管的優(yōu)化

2.2.1 安裝導(dǎo)流板

導(dǎo)流板設(shè)計是為了減小空氣阻力。空氣流動的阻力有兩種，一種是因為空氣本身的粘滯性與管壁的摩擦而產(chǎn)生的阻力，稱為摩擦阻力；另一種是空氣流經(jīng)管件及擋板處，因為流速的大小和方向變化以及產(chǎn)生渦流而產(chǎn)生的阻力，為局部阻力。如圖9所示，在擋板處氣流速度太大，擋板區(qū)域速度達到了40 m/s，而其它區(qū)域為20 m/s，根據(jù)管道阻力公式，為了減小摩擦阻力，我們需要降低氣體的流速。

式中：l為局部阻力當(dāng)量長度，m；ζ為局部阻力系數(shù)；λ為摩擦系數(shù)；Δpf為阻力損失，Pa。

在常壓下，氣體管道的流速一般為10 m/s～30 m/s，流速越大，阻力越大。另一方面，從圖9可以看出，在擋板處有小渦漩，產(chǎn)生了繞流，對氣體的通過產(chǎn)生了阻力，需要消除。

圖9 結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)繞流圖

通過上述分析，為了減小風(fēng)管阻力，需要進行導(dǎo)流板的設(shè)計，以現(xiàn)有的模型為基礎(chǔ)，根據(jù)先前流場分析結(jié)果，提出機艙與變壓器間的風(fēng)管內(nèi)導(dǎo)流板安裝方案(見圖10)。風(fēng)管內(nèi)共安裝四塊導(dǎo)流板，導(dǎo)流板A位于進風(fēng)口下方遮住突出的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流板B位于結(jié)構(gòu)風(fēng)管內(nèi)遮住小肋骨，導(dǎo)流板C、D分別位于左右節(jié)流孔下方遮住凹陷的結(jié)構(gòu)。

圖10 導(dǎo)流板安裝方案圖

2.2.2 優(yōu)化后模擬仿真

對安裝導(dǎo)流板后風(fēng)管內(nèi)流場進行建模，重新用Hypermesh軟件劃分網(wǎng)格，輸入Fluent軟件進行流場分析。風(fēng)管內(nèi)流場邊界條件設(shè)置進風(fēng)口為質(zhì)量流入口，出風(fēng)口為壓力出口，設(shè)定變壓器間出風(fēng)口與機艙出風(fēng)口壓差為300 Pa。

2.2.3 優(yōu)化后效果分析

通過優(yōu)化前后的速度矢量對比，得出通風(fēng)量的變化。可知，優(yōu)化后減小了管道的阻力，有更多新鮮的空氣進入各個艙室，且優(yōu)化后的系統(tǒng)可以合理地分配各出風(fēng)口的風(fēng)量，使管道內(nèi)氣體分布更合理。對模擬數(shù)據(jù)進行處理后，繪制管路阻力ptf曲線，并與未安裝導(dǎo)流板的管路阻力進行對比。對比結(jié)果如表3所示。

表3 管路阻力對比

擬合風(fēng)機曲線和管路阻力曲線后對比導(dǎo)流板的效果，未裝導(dǎo)流板時，單臺風(fēng)機氣體流量估算值為qv0= 47.4 m3/s，管路阻力ptf0= 1 820 Pa；安裝導(dǎo)流板后，單臺風(fēng)機氣體流量估算值qv= 54.0 m3/s，管路阻力ptf = 1 707 Pa，如圖11所示。根據(jù)分析結(jié)果，在不改變其他配置情況下，安裝導(dǎo)流板大約可以提升約1/8的風(fēng)量，折算安裝導(dǎo)流板后機艙與變壓器間風(fēng)量預(yù)計能達到388 000 m3/h。

圖11 風(fēng)量與管路阻力對比

同樣通風(fēng)量的工況下(360 000 m3/h)風(fēng)管內(nèi)流場進行對比，未裝導(dǎo)流板風(fēng)管內(nèi)局部最大風(fēng)速為62.2 m/s，安裝導(dǎo)流板后風(fēng)管內(nèi)局部最大風(fēng)速將為52.0 m/s，說明導(dǎo)流板可以降低最大風(fēng)速以減少管路內(nèi)流動阻力。圖12、圖13為導(dǎo)流板前后風(fēng)管內(nèi)速度矢量對比，從圖上可以看出，導(dǎo)流板對通風(fēng)口下方擋板處氣流改善效果明顯。

圖12 風(fēng)管內(nèi)速度矢量分布對比

圖13 擋板處速度矢量分布對比

通過機艙與變壓器間風(fēng)管模型和風(fēng)機參數(shù)為基礎(chǔ)，進行導(dǎo)流板方案設(shè)計與分析。CFD對比分析表明，安裝導(dǎo)流板大約可以提升約1/8的風(fēng)量，安裝導(dǎo)流板后機艙與變壓器間風(fēng)量估算值為388 000 m3/h，通過對結(jié)構(gòu)風(fēng)管的優(yōu)化，減小了管道內(nèi)的阻力，使出風(fēng)量增加，管道內(nèi)的氣流組織分布更加合理、均勻、穩(wěn)定，同時也能夠降低船體的震動和噪音。

對于該方案的計算與優(yōu)化，得到船廠與船東的認可，并已采用該方案。

3 結(jié)論

本文采用CFD技術(shù)對船舶與海工產(chǎn)品的機艙、變壓器間的結(jié)構(gòu)風(fēng)管進行通風(fēng)計算，本文主要針對船舶空通風(fēng)專業(yè)進行CFD模型的研究與選取，風(fēng)管計算工作的網(wǎng)格可靠性驗證，管路性能與風(fēng)機性能的匹配，風(fēng)管優(yōu)化方案設(shè)計等進行研究，通過對通風(fēng)管道系統(tǒng)的設(shè)計計算，借鑒有限體積法，運動代數(shù)法生成矩形風(fēng)管計算的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，建立控制方程并

[][]進行離散，對k-ε湍流求解直至計算結(jié)果收斂，對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)風(fēng)管質(zhì)量流分析，得到了結(jié)構(gòu)風(fēng)管通風(fēng)的優(yōu)化方案，取得了階段性的進展，為后續(xù)船舶與海工平臺艙室通風(fēng)的設(shè)計提供了指導(dǎo)性的參考和技術(shù)支持。

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Research on Air Distribution and Optimization of Structural Air Duct

YAO Zheng-gang1， NI Chong-ben2， YAO Wen2

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China;2.Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China)

The marine platform structural air duct between engine room and transformer room was mainly selected as a carrier, and the simulation software of HyperMesh and Fluent as a tool was used to analyze ventilation duct system flow field. Getting the pipe resistance curve and wind tube velocity vector. And then, the structure of the wind tube was optimized and ventilation systems were compared in order to improve the ventilation efficiency. It can provide analysis of the numerical simulation for the design of the ventilation system.

CFD Air distribution Numerical simulation Optimization

姚正鋼(1987-)，男，工程師，研究方向為船舶舾裝設(shè)計應(yīng)用。

P75

A