周榮輝, 周 楠, 吳 韓
(上海船舶工藝研究所, 上海 200032)
在海洋平臺機艙通風(fēng)管路設(shè)計中,通風(fēng)量的確定及風(fēng)量的分配往往依靠經(jīng)驗,沒有成形的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范可以參考,不同的設(shè)計師會形成不同的設(shè)計方案,即使同一位設(shè)計師也會有不同的方案,再加上外界因素的影響,策劃方案會更多,而且無法對比分析哪種方案更適合該型海洋平臺機艙通風(fēng)量的需求。由于具體的氣流組織分布無從得知,實際的通風(fēng)布局分配的影響效果往往需要在相關(guān)系統(tǒng)完整性報驗合格以及船舶所有人和船檢認(rèn)可后,進(jìn)行現(xiàn)場物理通風(fēng)檢查試驗,才能給出結(jié)果數(shù)據(jù)。
在目前的設(shè)計流程中,通常認(rèn)為通風(fēng)系統(tǒng)各送風(fēng)口的風(fēng)量是均勻分布的;而在實際的通風(fēng)系統(tǒng)中,受送風(fēng)口位置、風(fēng)管零部件布置等因素的影響,各送風(fēng)口的風(fēng)量可能存在不均勻分布的狀況。因此,送風(fēng)口處氣流分布的均勻性問題便成為值得研究的課題方向。
利用數(shù)值仿真的方法,在通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計完成后,趕在機艙通風(fēng)系統(tǒng)開工之前,運用CFD手段分析機艙內(nèi)通風(fēng)管路系統(tǒng)的氣流組織布局,為海洋平臺機艙總布置的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)并提供詳實的理論依據(jù)。
機艙是海洋平臺的心臟,其間交叉密布各種管路、機械及電力設(shè)備,機艙通風(fēng)管路系統(tǒng)的作用是提供主輔機、鍋爐及其他設(shè)備燃燒和散熱時所需的空氣量,同時滿足機艙散熱和排廢氣要求。為保證機艙內(nèi)良好的通風(fēng)工作環(huán)境[1],必須對機艙通風(fēng)管路系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌優(yōu)化設(shè)計。
海洋工程企業(yè)生產(chǎn)設(shè)計部門負(fù)責(zé)提供機艙通風(fēng)管路系統(tǒng)三維物理模型,但其直接提供的模型是為生產(chǎn)設(shè)計服務(wù)的,不符合網(wǎng)格計算的要求,三維物理模型必須修改及簡化為計算區(qū)域網(wǎng)格劃分軟件ICEM CFD支持的模式,其簡化原則包括:
(1) 外型結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜而對仿真結(jié)果影響甚微的不規(guī)則環(huán)節(jié),將這部分管路全部轉(zhuǎn)換為規(guī)則矩形風(fēng)管模型。
(2) 散熱對流場影響較小的局部管線及附件可忽略不計。
(3) 風(fēng)管(含包風(fēng)管與風(fēng)管)、風(fēng)管與異徑三通等需要附件相連接的部分和格柵開口連接處均不能有斷裂部分,必須緊密相連,保證整個通風(fēng)管路系統(tǒng)是一個有機整體。
(4) 對管路厚度做簡化處理。計算區(qū)域網(wǎng)格劃分要求滿足光滑條件,在此前提下,將空氣運動黏性忽略不計,對壁面作無厚度光滑壁面處理,即管路無厚度且絕對光滑[2]。
圖1 風(fēng)管系統(tǒng)簡化三維模型
(5) 簡化管路的原則。雖然該海洋平臺通風(fēng)管路系統(tǒng)的風(fēng)管尺寸大(滿足大通風(fēng)需要),且布置在機艙頂部,但并不對中下層流場組織布局產(chǎn)生影響,所以對物理模型中的矩形風(fēng)管也可進(jìn)行部分簡化,對進(jìn)風(fēng)裝置與排風(fēng)格柵的連接附件作光滑處理,對含三通、異徑及彎頭等附件連接的凹凸處亦作光滑處理。
最終優(yōu)化的通風(fēng)管路三維模型如圖1所示。
計算區(qū)域網(wǎng)格劃分是風(fēng)管系統(tǒng)數(shù)值分析前處理中的最主要工作,計算區(qū)域網(wǎng)格劃分的質(zhì)量將對數(shù)值分析結(jié)果的精確性產(chǎn)生重大影響。對簡化后的海洋平臺機艙通風(fēng)系統(tǒng)三維物理模型進(jìn)行計算區(qū)域網(wǎng)格劃分,需花費較長的時間,且節(jié)點設(shè)置的精度和網(wǎng)格數(shù)會關(guān)系到代數(shù)方程的穩(wěn)定性和收斂性,也會對數(shù)值分析結(jié)果產(chǎn)生相關(guān)聯(lián)的影響。
在數(shù)值仿真時,結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的優(yōu)勢是:節(jié)點之間關(guān)系明確,有序排列,計算比較穩(wěn)定,并具有相對較快的收斂速度,可以節(jié)省內(nèi)部計算和擬合的時間。由于該海洋平臺機艙通風(fēng)管路采用規(guī)則化的矩形風(fēng)管,因此計算區(qū)域網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,運用代數(shù)生成法生成規(guī)則化的矩形風(fēng)管內(nèi)部區(qū)域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。
在通風(fēng)管路平緩的風(fēng)管計算模型區(qū)域,將網(wǎng)格布置得稀疏一些;在通風(fēng)管路變化比較大的風(fēng)管連接區(qū)域或者轉(zhuǎn)角區(qū)域,網(wǎng)格則需布置得緊湊一些。總體上要求劃分好的計算區(qū)域網(wǎng)格能自動擬合模型中速度場的細(xì)微變化,能夠精確反映風(fēng)管管道中氣流組織的流動狀態(tài)。
圖2 送風(fēng)口流場密集處網(wǎng)格劃分
圖3 三通部位網(wǎng)格劃分
代數(shù)法生成的主要是四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,通過在邊界處建立映射關(guān)系,設(shè)置每個邊界的節(jié)點數(shù)來生成網(wǎng)格。管壁邊界、送風(fēng)口處流場比較密集,應(yīng)將其網(wǎng)格劃分得更密集一些,通過設(shè)置系數(shù)的值(取3,平常取1),更好地擬合速度場的氣流組織,如圖2所示。
風(fēng)管三通部位的網(wǎng)格俯視圖如圖3所示,體網(wǎng)格按高度方向投影。
在彎管接頭外側(cè)部分的網(wǎng)格生成過程中,會發(fā)現(xiàn)彎管外側(cè)有明顯的撕裂現(xiàn)象,產(chǎn)生開口,針對此種情況,有研究發(fā)現(xiàn):FACE會與相鄰最近的SURFACE自動建立映射關(guān)系,但是由于其彎管接頭外側(cè)距離SURFACE較遠(yuǎn),導(dǎo)致映射關(guān)系錯亂,所以產(chǎn)生撕裂現(xiàn)象。需要對彎管外側(cè)曲線進(jìn)行局部處理,并將此處的網(wǎng)格節(jié)點設(shè)置得密集一些,再重新生成網(wǎng)格,會發(fā)現(xiàn)撕裂現(xiàn)象消失。
通過對比分析和反復(fù)驗證,當(dāng)海洋平臺機艙通風(fēng)管路的總網(wǎng)格數(shù)達(dá)到68萬時,滿足通風(fēng)管路內(nèi)流場物理量(即速度量)的計算精度要求。當(dāng)四面體網(wǎng)格不存在高度扭曲(即扭曲率>90%)時,計算區(qū)域的網(wǎng)格基本都是規(guī)則化的四面體網(wǎng)格,這時認(rèn)為通風(fēng)管路系統(tǒng)的計算區(qū)域速度流場網(wǎng)格質(zhì)量良好,滿足計算精度要求。網(wǎng)格扭曲率見表1。
表1 網(wǎng)格扭曲率統(tǒng)計
機械風(fēng)機設(shè)計風(fēng)量為8×104m3/h,經(jīng)計算后,機艙風(fēng)管截面內(nèi)氣流流速最大約為30 m/s,遠(yuǎn)不足0.3 Ma,艙內(nèi)送風(fēng)速度及空氣流速比較小,相應(yīng)的密度變化可以忽略不計,因此可以視為無壓縮氣體流動。
風(fēng)管內(nèi)氣流雷諾數(shù)為
(1)
式中:ρ為空氣密度;v為流速;d為管道等效直徑;η為空氣運動黏度,取0.133×10-5Pa·s。
得出風(fēng)管內(nèi)雷諾數(shù)Re約為2.047×107。以Re=2 320作為流態(tài)轉(zhuǎn)化的臨界雷諾數(shù),對于海洋平臺機艙通風(fēng)管路氣流流動,其雷諾數(shù)遠(yuǎn)大于臨界雷諾數(shù),視為湍流模型。認(rèn)定海洋平臺機艙通風(fēng)管內(nèi)氣流組織為充分發(fā)展的湍流流動,再考慮流場渦度,所以選擇Realizablek-ε湍流模型。
在實際機艙管路通風(fēng)模擬過程中,風(fēng)管通風(fēng)流場中不存在隨時間變化的條件因素,理論上,當(dāng)通風(fēng)氣流經(jīng)由均勻布置的18個格柵口,以設(shè)定的通風(fēng)速度送入整個機艙環(huán)境區(qū)域內(nèi),剛進(jìn)入的氣流組織與原有管路內(nèi)的氣流組織經(jīng)過一段時間的擬合后,整個通風(fēng)管路內(nèi)的氣流組織處于一個相對比較穩(wěn)定的狀況[3],符合定常流模型的特征,所以對該型海洋平臺機艙管路通風(fēng)系統(tǒng)選用定常流模型來研究。
假設(shè)艙室內(nèi)空氣符合要求,壓力對氣流組織密度的影響忽略不計。機艙通風(fēng)管路內(nèi)必須維持正壓,機艙通風(fēng)系統(tǒng)環(huán)境空間密閉,暫不考慮通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)等意外狀況。
風(fēng)管管壁作為壁面條件,風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口為質(zhì)量流入口,分別按照風(fēng)量8×104m3/h和4×104m3/h換算:當(dāng)風(fēng)量為8×104m3/h時,得出相對應(yīng)的質(zhì)量流為27.222 5 kg/s;當(dāng)風(fēng)量為4×104m3/h時,得出相對應(yīng)的質(zhì)量流為13.611 25 kg/s。
格柵窗作為通風(fēng)出口,該型格柵窗局部阻力系數(shù)ζ=0.9,空氣密度為1.225 kg/m3,擬合后格柵的局部流動阻力為0.551ω2,將局部流動阻力輸入邊界條件,不對流速或壓力進(jìn)行假定,可以更加真實地反映實際流動情況。風(fēng)管模型邊界設(shè)置如圖4所示。
圖4 風(fēng)管模型設(shè)置邊界圖
采用基于交錯網(wǎng)格的SIMPLE算法來進(jìn)行壓力-速度耦合控制方程的求解方法,使用一階迎風(fēng)格式對控制方程進(jìn)行離散。
設(shè)置殘差不低于0.01,對于流場較復(fù)雜的情況,其殘差設(shè)置要稍大些,計算收斂的精度可稍小一些;而對于簡單的流場情況,精度可設(shè)置得高些。實際操作中,殘差可根據(jù)實際情況來確定,假設(shè)在計算步數(shù)無要求的情況下,將殘差作為收斂精度的分界[4],計算要達(dá)到設(shè)定的殘差要求才能終止。在設(shè)置殘差時會設(shè)置得很小,希望計算結(jié)果有較高的精度,但此時求解本身卻無法達(dá)到設(shè)置的精度,這種情形下,變量的殘差曲線在多次擬合迭代后會達(dá)到平穩(wěn),網(wǎng)格自適應(yīng)后再次進(jìn)行迭代計算,直至計算收斂,迭代200步后結(jié)果收斂。
圖5和圖6為風(fēng)管三通部位網(wǎng)格自適應(yīng)前后的流場速度分布,可見網(wǎng)格自適應(yīng)后,三通處流速較高的部位網(wǎng)格細(xì)化后更能反映流場細(xì)節(jié)。計算殘差曲線如圖7所示。
圖5 三通部位網(wǎng)格自適應(yīng)前流場速度分布 圖6 三通部位網(wǎng)格自適應(yīng)后流場速度分布
圖7 計算殘差曲線
圖8 風(fēng)管內(nèi)速度矢量圖
速度矢量圖能很好地表達(dá)流體的速度大小以及流動方向,所以采用速度矢量圖來研究該型海洋平臺機艙通風(fēng)管路系統(tǒng)[5],可選擇顯示哪個橫截面或者表面的速度矢量,也可以選擇顯示哪種速度(絕對速度或相對速度)。
圖8選取1個截面,用速度矢量圖描述該型海洋平臺機艙矩形通風(fēng)管路內(nèi)整體的氣流組織分布情況。
下面選取幾個典型格柵口,用速度矢量圖描述氣流組織,格柵8速度矢量圖如圖9所示,格柵11速度矢量圖如圖10所示。
圖9 格柵8速度矢量圖 圖10 格柵11速度矢量圖
對海洋平臺機艙通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機進(jìn)風(fēng)口與各送風(fēng)格柵的質(zhì)量流進(jìn)行統(tǒng)計,并將質(zhì)量流換算成通風(fēng)量。通過觀察3.2節(jié)的速度矢量圖,可以看出18個通風(fēng)格柵基本上能夠做到送風(fēng)均勻。風(fēng)機風(fēng)量為8×104m3/h時,每個格柵的送風(fēng)量見表2;風(fēng)機風(fēng)量為4×104m3/h時,每個格柵送風(fēng)量見表3。表中正數(shù)代表進(jìn)風(fēng),負(fù)數(shù)代表送風(fēng)。
從換算結(jié)果來看:當(dāng)風(fēng)機在設(shè)計工況下運作時,機艙通風(fēng)系統(tǒng)各送風(fēng)口風(fēng)量較為均勻;而當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量減半時,11號格柵風(fēng)量顯著下降,原因在于11號格柵前的風(fēng)管連續(xù)布置了3個90°彎頭,對流場產(chǎn)生不利影響。在該船機艙的進(jìn)一步設(shè)計建造工作中,可考慮對通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)管布置進(jìn)行調(diào)整,對3個90°彎頭簡化改善設(shè)計,以滿足各種狀況下均勻送風(fēng)的需求。
根據(jù)原始計算數(shù)據(jù),當(dāng)風(fēng)機風(fēng)量達(dá)到最大值8×104m3/h時,風(fēng)管內(nèi)最大風(fēng)速不超過12 m/s,經(jīng)過CFD模擬分析后發(fā)現(xiàn):實際格柵的最大風(fēng)速已經(jīng)達(dá)到4 648 m3/h,即12.9 m/s,超過初始標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計最大值12 m/s,超出部分為0.9 m/s,所以機艙通風(fēng)管路在送風(fēng)時,可以不按照8×104m3/h的要求送足。
當(dāng)通風(fēng)量為8×104m3/h時,相應(yīng)的質(zhì)量流進(jìn)入為27.222 5 kg/s,18個格柵流出的質(zhì)量流匯總為27.219 171 6 kg/s,流場應(yīng)滿足質(zhì)量守恒,得出在通風(fēng)過程中0.003 328 4 kg/s的質(zhì)量流由于風(fēng)管阻力被消耗。
當(dāng)通風(fēng)量為4×104m3/h時,相應(yīng)的質(zhì)量流進(jìn)入為13.611 25 kg/s,18個格柵流出的質(zhì)量流匯總為13.592 648 26 kg/s,流場應(yīng)滿足質(zhì)量守恒,得出在通風(fēng)過程中0.008 601 74 kg/s的質(zhì)量流由于風(fēng)管阻力被消耗。
表2 風(fēng)機8×104 m3/h工況各送風(fēng)格柵風(fēng)量
表3 風(fēng)機4×104 m3/h工況各送風(fēng)格柵風(fēng)量
CFD成熟的前后處理支持模式,結(jié)合快速的建模速度和可視化圖像顯示,完全優(yōu)勝于實際三維模型制造和傳統(tǒng)力學(xué)試驗檢測,可以模擬任何復(fù)雜的物理過程。受實際條件的限制,不可能在船舶通風(fēng)系統(tǒng)鋪設(shè)完成后,通過物理實地通風(fēng)試驗來確定各個格柵口的具體通風(fēng)量,數(shù)值試驗卻能夠通過設(shè)置不同的邊界風(fēng)速輸入條件進(jìn)行仿真,獲得檢驗數(shù)據(jù)結(jié)果。
首次在通風(fēng)系統(tǒng)流場分析研究中采用通風(fēng)出口質(zhì)量流條件,不需要事先假定流速或壓力,較以往流場分析中采用的壓力邊界、速度邊界等常規(guī)條件,更加貼合實際物理模型需要,準(zhǔn)確度更高。與傳統(tǒng)數(shù)值分析研究方法相比,本文所采用的方法,不需要進(jìn)行風(fēng)量或壓力假定,計算結(jié)果更為準(zhǔn)確,可以計算多種工況的通風(fēng)情況,更具有靈活性。
通風(fēng)從格柵出來流向整個艙室,在整個艙室的布局上也會存在風(fēng)速不均勻分布的情況。如何建立整個艙室的通風(fēng)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬分析,如何根據(jù)分析結(jié)果綜合考慮人體舒適度以改善格柵或布風(fēng)器的整體布局也是未來的發(fā)展方向。目前網(wǎng)格技術(shù)發(fā)展迅速,動網(wǎng)格、多重網(wǎng)格法等新型動網(wǎng)格方法紛紛涌現(xiàn),在目前已有的靜態(tài)網(wǎng)格模型上又有了很大的發(fā)展。運用新型動網(wǎng)格技術(shù)有望進(jìn)一步提高CFD運算效率與計算精度。