張 琪，陳 鴿，張利軍，曹 凱，段 菲

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，遼寧 大連 116600)

基于 CFD 的船舶貨艙通風(fēng)數(shù)值模擬

張 琪，陳 鴿，張利軍，曹 凱，段 菲

(中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，遼寧 大連 116600)

以某集裝箱船的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，根據(jù)船舶艙室的通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，采用合理的數(shù)值模擬方法，并利用拉格朗日粒子示蹤的方法描述艙室中的氣體流動(dòng)狀況。在此基礎(chǔ)上，分析比較 3 種不同的通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，通過對(duì)比分析研究送風(fēng)管上開孔朝向和數(shù)目對(duì)通風(fēng)效果的影響，確定對(duì)通風(fēng)最有利的方案。模擬結(jié)果表明，應(yīng)用 CFD 技術(shù)進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)分析，可以很好地從流場(chǎng)的分布特性以及空氣粒子的運(yùn)動(dòng)追蹤等方面來評(píng)估設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，為通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化提供有力的工具。

貨艙；通風(fēng)；拉格朗日粒子；CFD

0 引 言

在船舶設(shè)計(jì)過程中，無論是船上人員和機(jī)器設(shè)備都需要合理的通風(fēng)環(huán)境，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是其中重要的一環(huán)。在考慮船舶經(jīng)濟(jì)性和相關(guān)規(guī)范規(guī)則要求的前提下，為船上人員創(chuàng)造安全和舒適的生活環(huán)境是設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)。

目前艙室內(nèi)的通風(fēng)狀況主要靠煙霧測(cè)試來檢驗(yàn)。但是煙霧測(cè)試只有在建造工作基本完成后方能進(jìn)行，無法在前期設(shè)計(jì)階段提供指導(dǎo)。與傳統(tǒng)的理論計(jì)算及模型試驗(yàn)預(yù)報(bào)方法相比，CFD（計(jì)算流體力學(xué)）技術(shù)方便實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)流場(chǎng)測(cè)量，加之強(qiáng)大的結(jié)果后處理功能使得貨艙通風(fēng)的預(yù)報(bào)更加方便、廉價(jià)和直觀。目前CFD 應(yīng)用軟件已經(jīng)在通風(fēng)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)方面發(fā)揮重要作用，國(guó)內(nèi)學(xué)者在相關(guān)領(lǐng)域也做了大量的研究工作，如郭昂等[1]對(duì)船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并針提出了機(jī)艙氣流改進(jìn)方案；王亞瑩、張衛(wèi)東等[2-3]研究了房間內(nèi)的氣流組織特性以及人在室內(nèi)的舒適性；江宇等[4]針對(duì)機(jī)艙的通風(fēng)方式對(duì)溫度場(chǎng)的影響進(jìn)行了重點(diǎn)分析；余建星等[5]對(duì) LNG 預(yù)冷天然氣分液罐重氣泄漏后擴(kuò)散的過程進(jìn)行了模擬。隨著 CFD 技術(shù)在工程上的應(yīng)用日益廣泛，將有效改變以往單憑經(jīng)驗(yàn)的粗放式設(shè)計(jì)，使通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加精細(xì)合理。

拉格朗日粒子示蹤方法是揭示流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一種有效的研究方法，該方法目前已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如王佳男等[6]基于示蹤粒子法對(duì)彎曲微通道中液滴內(nèi)部的混合狀態(tài)演變過程進(jìn)行了數(shù)值模擬；楊曄等[7]對(duì)核事故后放射性核素的彌散分布以及擴(kuò)散規(guī)律展開了研究。但目前將該方法應(yīng)用于船舶通風(fēng)的系統(tǒng)模擬還不多見。

本文對(duì)某船舶的貨艙通風(fēng)情況進(jìn)行分析，并在貨艙內(nèi)的空氣流場(chǎng)中引入拉格朗日粒子模型對(duì)流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行標(biāo)記，旨在判別空氣在艙室內(nèi)部的流通是否順暢，有無空氣流通死角，保障人員在艙內(nèi)的安全性與舒適性。

1 研究對(duì)象

以某集裝箱船為研究對(duì)象，該集裝箱有多個(gè)貨艙，其中 2 號(hào)貨艙的遮蔽區(qū)域較多，具有一定的代表性，故針對(duì)該貨艙展開研究。首先依據(jù) CAD 圖紙對(duì)艙室進(jìn)行三維建模，建好的貨艙 2 幾何模型如圖 1 所示，該貨艙的空間大小為：長(zhǎng) 28.5 m，寬 17.6 m（半寬），高 19.5 m。

2 數(shù)值模擬

2.1 設(shè)計(jì)方案

為了比較送風(fēng)管上的開孔朝向?qū)νL(fēng)系統(tǒng)的影響，在保證排風(fēng)系統(tǒng)的管路和艙室布置均不變的情況下制定了 3 種設(shè)計(jì)方案：方案 1 為初始設(shè)計(jì)方案，送風(fēng)管上的開孔大小為 0.55 m × 0.55 m 朝向前方的集裝箱；方案 2 相較于方案 1 開孔大小不變僅將方向改為朝向舷側(cè)；方案 3 則在保證送風(fēng)管上開孔總面積不變的前提下，將方案 1 中的 2 個(gè) 0.55 m × 0.55 m 的開孔改為 3 個(gè)等間距分布的 0.45 m × 0.45 m 開孔。艙室內(nèi)共有前后 2 個(gè)送風(fēng)管，形式基本相似。圖 2 以后面的送風(fēng)管（圖 1 inlet01 處）為例來展示 3 種設(shè)計(jì)方案的區(qū)別。

2.2 計(jì)算模型

2.2.1 湍流模型及基本假設(shè)

采用 CFD 軟件 STAR-CCM+ 對(duì)貨艙通風(fēng)進(jìn)行模擬，認(rèn)為管內(nèi)氣流為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)，并且需要考慮渦旋，因此選擇 Realizable k-ε 湍流模型[8]。按照進(jìn)風(fēng)管的截面面積估算后可知管內(nèi)的最大風(fēng)速約為 18 m/s，馬赫數(shù)遠(yuǎn)未達(dá)到 0.3，可視為不可壓縮氣體流動(dòng)。假定艙內(nèi)溫度恒定無熱量變化，同時(shí)假定艙內(nèi)密封良好，不考慮漏氣的情況。

2.2.2 拉格朗日粒子示蹤模型

采用拉格朗日粒子示蹤方法通常用來描述計(jì)算區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)和顆粒的相互作用，同時(shí)得到顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。計(jì)算中，流體作為連續(xù)相，采用歐拉法進(jìn)行處理，固體顆粒作為離散相，用拉氏模型處理。而本次數(shù)值模擬中，固體粒子并不是真實(shí)存在的，因此不需要指定粒子的具體形狀、大小和材料屬性等。只需假定粒子的質(zhì)量為 0，此時(shí)粒子與流場(chǎng)間不存在實(shí)際的相互作用關(guān)系，對(duì)空氣流動(dòng)無干擾，僅起到示蹤的作用。

2.3 邊界條件

該貨艙可分為前后 2 個(gè)部分，貨艙后半部布置了 1個(gè)送風(fēng)口 inlet01 及 2 個(gè)排風(fēng)口 outlet01 和 outlet02，前半部布置了 1 個(gè)送風(fēng)口 inlet02 及 3 個(gè)排風(fēng)口 outlet03、04 和 05（見圖 1）。其中，出口處的壓力值與外界大氣壓一致，為自然通風(fēng)；墻體的邊界條件設(shè)置為壁面。由于本次模擬并不涉及到溫度、輻射和傳熱等能量交換，所以墻體不需要進(jìn)行特別參數(shù)的設(shè)定。墻體在這個(gè)模擬中僅僅是起到了一個(gè)阻礙流體流動(dòng)的作用。各邊界面的邊界條件如表 1 所示。

表 1 邊界條件Tab. 1 Boundary conditions

2.4 網(wǎng)格劃分

這個(gè)艙室模型即為計(jì)算域，網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)隔板、樓梯以及管壁的邊界處的網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密，以提升邊界層的計(jì)算精度，整個(gè)計(jì)算流域網(wǎng)格總數(shù)為320 萬。

3 計(jì)算結(jié)果比較

空氣入口附近區(qū)域通常都能滿足通風(fēng)的要求，因此計(jì)算完成后選取遠(yuǎn)離送風(fēng)管開孔的 10 個(gè)典型截面進(jìn)行研究，截面的位置如圖 3 所示。在艙室的后部 x = 0.56 m 的位置，自下而上編號(hào)依次為 1～5；在艙室的前部 x = 14.76 m 的位置，自下而上編號(hào)依次為6～10。

圖 4（a）中自下而上分別代表方案 1 貨艙后半部編號(hào)為 1 ～ 5 五個(gè)典型截面上的速度分布情況；圖 4（b）中自下而上分別代表貨艙前半部編號(hào) 6 ～ 10 五個(gè)典型截面上的速度分布情況；圖 5 和圖 6 中同理，表示方案 2 和方案 3 從 1 ～ 10 十個(gè)截面上的速度分布情況。

為了定量比較 3 種方案的貨艙內(nèi)通風(fēng)情況，將各截面中的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速進(jìn)行比較，如表 2 所示。

分析表 2，比較各個(gè)截面平均風(fēng)速的變化可知，方案 2 設(shè)計(jì)相比于方案 1 有 6 個(gè)截面的平均風(fēng)速得到了提高，其他 4 個(gè)截面的平均風(fēng)速降低，其中平均上升幅度為 51.0%，平均下降幅度為 13.5%；方案 3 相比于方案 1 僅有 4 個(gè)截面的平均風(fēng)速得到了提高，其他6 個(gè)截面的平均風(fēng)速降低，其中平均上升幅度為25.1%，平均下降幅度為 29.8%。由此可知與方案 1 相比，方案 2 對(duì) 10 個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域的空氣流通情況有較好的改善，而方案 3 的通風(fēng)狀況基本沒有得到改善。

在貨艙通風(fēng)計(jì)算過程中，采用拉格朗日粒子示蹤的方法有助于更好地監(jiān)測(cè)艙內(nèi)空氣的流通軌跡。通過在速度入口 inlet01 和 inlet02 處添加示蹤粒子的發(fā)射源，使粒子不斷地隨入口處的氣流一同進(jìn)入貨艙中，同時(shí)對(duì)粒子的位置和速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖 7 中 6 幅圖片分別表示物理時(shí)間 t = 15 s 和 t = 30 s 時(shí) 3 種方案的粒子示蹤情況，其中艙內(nèi)的矩形方框代表集裝箱。

比較圖 7（a）、圖 7（b）和圖 7（c）可看出， t = 15 s 時(shí)，方案 1 和方案 3 中的粒子主要集中在貨艙的一角，而方案 2 中的粒子很快從送風(fēng)管上的開孔向周圍擴(kuò)散；從圖 7（d）至圖 7（f）中可看到，t = 30 s 時(shí)，方案 1 和方案 3 只有很少量的粒子到達(dá)排風(fēng)管，而方案2 中的粒子則明顯擴(kuò)散的更快。由此可知，相較于方案 1，方案 2 中的艙內(nèi)空氣流動(dòng)更均勻，流動(dòng)的速度也更快，而方案 3 中的通風(fēng)狀況并沒有明顯的變化，該結(jié)論與前面表 2 中數(shù)據(jù)所反映的情況是一致的。

表 2 三種方案中各截面中的平均風(fēng)速和最大風(fēng)速Tab. 2 The average and maximum value of air velocity of each cross section of three plans

4 結(jié) 語

本文利用 CFD 技術(shù)對(duì)船舶貨艙的通風(fēng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了貨艙內(nèi)的氣流速度分布情況，并利用拉格朗日粒子示蹤的方法對(duì)貨艙的原有空氣與后吹入的空氣加以區(qū)分，且更加直觀地觀察到吹入艙內(nèi)的氣體流動(dòng)軌跡。通過對(duì) 3 種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析比較，最終確定了更合理的方案。整個(gè)數(shù)值模擬方法及其結(jié)果為工程設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)，通過以上的數(shù)值模擬可以得到以下結(jié)論：

1）在送風(fēng)管風(fēng)量一定的情況下，方案 2 將送風(fēng)管上開孔朝向空間更開闊的舷側(cè)，有效減少了不必要的氣流流速損失。數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，在重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域方案 2 無論從空氣的流通速度還是流動(dòng)的均勻性都明顯優(yōu)于方案 1 和方案 3；

2）方案 3 在保證送風(fēng)管上開孔總面積不變的情況，增加了開孔數(shù)目，結(jié)果表明開孔數(shù)目增多對(duì)該貨艙通風(fēng)狀況影響并不明顯；

3）拉格朗日粒子軌跡示蹤的方法直觀地反映了氣體流入到流出的動(dòng)態(tài)情況，可做為觀察空氣流通狀況的重要手段，該方法同樣可以應(yīng)用于艙室內(nèi)污染物擴(kuò)散的研究。

4）貨艙內(nèi)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案除了考慮送風(fēng)管上開孔的朝向和數(shù)目外還有很多影響因素，如送風(fēng)管的布置、開孔的位置等，有待在后續(xù)的工作中進(jìn)一步研究。

[1]郭昂, 郭衛(wèi)杰, 王馳明, 等. 船舶機(jī)艙機(jī)械通風(fēng)數(shù)值模擬分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)艦船研究, 2014(3): 93-98. GUO Ang, GUO Wei-jie, WANG Chi-ming, et al. Numerical simulation and optimization design of ship engine room ventilation system[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2014(3): 93-98.

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Numerical simulation for the ventilation system of a vessel cargo hold based on CFD

ZHANG Qi, CHEN Ge, ZHANG Li-jun, CAO Kai, DUAN Fei
(Technical Center, COSCO Shipyard Group Co. Ltd., Dalian 116600, China)

The ventilation system of a container ship's cargo hold has been simulated based on the actual ventilation conditions by utilizing CFD. Reasonable numerical method is used based on the characteristics of ventilation system. And the air flow is described through the tracing method of Lagrangian particle. In consideration of the influence of the number and facing directions of holes on air supply pipes, three different design plans are simulated. Finally the best one is found by comparing different design plans. The simulation results show that the CFD technology is conducive to design of ventilation in a vessel cargo and provides a powerful tool for improving the performance of ventilation system.

cargo hold；ventilation；Lagrangian particle；CFD

U664.8

A

1672 - 7619(2017)02 - 0048 - 04

10.3404/j.issn.1672 - 7619.2017.02.009

2016 - 06 - 01；

2016 - 07 - 14

張琪(1990 - )，男，碩士，研究方向?yàn)榇坝?jì)算流體力學(xué)。