張佳佳，付云鵬，葉正華，孫鵬，鐘兢軍，楊木肖

1大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連116026

2中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海200011

3大連海事大學(xué)專業(yè)學(xué)位教育學(xué)院，遼寧大連116026

0 引 言

隨著艦載機(jī)及精密電子設(shè)備普遍裝備現(xiàn)代艦船，與之相關(guān)的安全性及可靠性影響因素也逐漸受到關(guān)注［1］。其中，艦船甲板上方空間分布的高溫?zé)煔馐菦Q定艦船上層建筑表面精密電子儀器設(shè)備能否正常工作、艦載機(jī)能否安全起降的重要因素之一。隨著現(xiàn)代艦用燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獬鯗丶皦罕鹊牟粩嗵岣撸瑴囟仍絹碓礁叩臋C(jī)組高溫排氣給艦船帶來了一系列的問題，如外煙囪端部射出的高溫?zé)煔饨o艦船帶來的煙氣腐蝕、電氣設(shè)備的過熱損壞、能見度降低、上層建筑污染等［2］。但影響艦船表面溫度場分布的因素有很多，如艦船的幾何外形、自然風(fēng)的強(qiáng)度及方向、自由來流的湍流分量、海況及艦船的航行運(yùn)動(dòng)［3］。因此，有必要考慮一定情況下艦船甲板上方空間溫度場、艦船上層建筑表面溫度的分布，及時(shí)做出預(yù)測、判斷、分析并研究。

利用CFD手段對(duì)艦船外部流場、溫度場進(jìn)行研究是行之有效的手段，國內(nèi)外已有不少學(xué)者開展過類似工作。Polsky等［4］針對(duì)LHA船型進(jìn)行時(shí)間精確的空氣尾流場的數(shù)值仿真并與相應(yīng)的風(fēng)洞測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，證明利用CFD手段研究艦船甲板上方空氣流場具有一定的可靠性。Kulkarni等［5］利用Fluent軟件中的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型對(duì)某型護(hù)衛(wèi)艦的煙囪熱氣流場進(jìn)行了數(shù)值研究。林維德［6］針對(duì)某艦船普通排氣系統(tǒng)的內(nèi)部流場和溫度場進(jìn)行了計(jì)算，得到了該排氣系統(tǒng)內(nèi)部的溫度分布；周紹榮等［7］分析了某型艦船排氣系統(tǒng)紅外抑制裝置的湍流場以及溫度場。

上述與艦船溫度場相關(guān)的研究大都集中在艦船排氣系統(tǒng)內(nèi)部，本文將著重于艦船排氣系統(tǒng)對(duì)其外部溫度場影響的數(shù)值分析。首先，利用Fluent軟件對(duì)某LHA船型在不同風(fēng)速下艦船甲板上方的空間溫度場進(jìn)行計(jì)算，然后，選取3個(gè)關(guān)鍵截面，對(duì)排氣系統(tǒng)在所選關(guān)鍵截面處的溫度場影響、甲板上層建筑表面溫度分布進(jìn)行量化分析。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 計(jì)算模型

本文的研究對(duì)象是以“塔拉瓦”級(jí)兩棲攻擊艦（LHA）為參考，并對(duì)其上層建筑結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了簡化。研究中，不考慮氣、液交界的作用。為了減少網(wǎng)格數(shù)目與計(jì)算量，甲板高度取2 m，具體模型如圖1所示。艦船沿航行方向，左側(cè)為船體左舷（PORT），右側(cè)為船體右舷（STBD），上層建筑以及煙囪位于甲板右舷一側(cè)。計(jì)算模型中，將x方向定義為長度方向（艏艉方向），y方向定義為寬度方向（船舷方向），z方向定義為高度方向。

圖1 艦船簡化模型Fig.1 Simplified model of ship

在利用CFD技術(shù)對(duì)鈍體繞流建立計(jì)算模型時(shí)，計(jì)算域的邊界應(yīng)設(shè)置于離模型足夠遠(yuǎn)處，以避免邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響。而在數(shù)值模擬計(jì)算中，計(jì)算域的大小往往以阻塞率的大小來衡量，一般認(rèn)為阻塞率不大于3%［8］。本文選定的計(jì)算域大小為1 300 m×210 m×160 m，如圖2所示。在本研究中，計(jì)算域yz面的阻塞率為1.46%，xz面的阻塞率為1.54%（因xy面不受來流風(fēng)速的影響，故不將其考慮在內(nèi)）。

圖2 計(jì)算域及邊界定義Fig.2 Computational domain and definition of boundary

1.2 網(wǎng)格和邊界條件

艦船模型計(jì)算域網(wǎng)格如圖3所示。由于船體表面及上層建筑的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為減少總體網(wǎng)格數(shù)量，將計(jì)算域劃分為包含船體在內(nèi)的中間區(qū)域以及前、后兩個(gè)遠(yuǎn)場區(qū)域。其中中間區(qū)域的網(wǎng)格較密，前、后兩個(gè)遠(yuǎn)場區(qū)域的網(wǎng)格較稀疏。為節(jié)省網(wǎng)格生成時(shí)間，上層建筑及船體附近為四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；前、后兩個(gè)遠(yuǎn)場區(qū)域因?yàn)楹唵蔚拈L方體結(jié)構(gòu)，為兼顧計(jì)算時(shí)間，將其劃分為正六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。全計(jì)算域網(wǎng)格數(shù)約360萬。計(jì)算方法的可靠性驗(yàn)證參考文獻(xiàn)［9］。

圖3 計(jì)算網(wǎng)格示意圖Fig.3 Schematic diagram of computational grid

計(jì)算中的合成風(fēng)速分別設(shè)定為10，15，20和23 m/s，風(fēng)向?yàn)橛蚁?0°。由于來流速度較低，為不可壓氣體［10］，因此甲板氣流場計(jì)算中的主要邊界條件為：速度入口（Velocity inlet）、壓力出口（Pressure outlet）、甲板及上層建筑定義為壁面邊界（Wall）。邊界名稱如圖2所示，其中Up定義為速度入口，但氣流方向與截面平行，即沒有氣流進(jìn)入；Bottom認(rèn)為是水面，不考慮氣、液交界，將其定義為壁面；煙囪出口定義為速度入口。具體的邊界條件定義見表1。計(jì)算采用基于壓力的隱式求解器，湍流模型選擇k-ε標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型，工質(zhì)選擇不可壓理想氣體，工作壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。

表1 邊界類型定義Table 1 Definition of boundary

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 溫度場分析基準(zhǔn)

對(duì)于艦船甲板上方的空間溫度場是否達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，很多國家都制定了相應(yīng)的準(zhǔn)則，其中英國民航局制定的CAP 437等［11-12］對(duì)甲板上方空間溫度場的要求更為簡單、明晰。因此，在分析此次艦船甲板氣流場的數(shù)值模擬結(jié)果時(shí)，對(duì)于考慮艦船甲板表面一定關(guān)鍵位置處是否超溫，將以CAP 437標(biāo)準(zhǔn)為參考。

CAP 437對(duì)甲板停機(jī)坪位置處的溫度要求為：在平均3 s的時(shí)間間隔內(nèi)，直升機(jī)在起降區(qū)域（即供直升機(jī)安全起降所需的甲板上方凈空高度范圍，應(yīng)滿足30 ft加直升機(jī)輪子到旋翼的高度再加上一個(gè)旋翼的直徑）內(nèi)煙氣溫度最大的溫升不能超過環(huán)境溫度2 K。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的溫度是動(dòng)態(tài)溫度變化，但本研究中采用的是定常數(shù)值方法，無法考慮溫度場的動(dòng)態(tài)變化情況。因此，在將環(huán)境溫度設(shè)定為300 K的情況下，認(rèn)為溫度達(dá)到302 K的區(qū)域超出標(biāo)準(zhǔn)要求的可能性較大，故將302 K選作一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)溫度。

溫度場分析主要針對(duì)煙囪排放的高溫?zé)煔庠谂灤装迳戏娇臻g的整體走向，以及在艦船上層建筑壁面和典型截面的溫度分布來進(jìn)行分析。分析中選取的典型截面如圖4所示，其中橫向1，2號(hào)截面寬度與船寬同寬，縱向截面長度與船長同長，二者的高度根據(jù)CAP 437中的空間區(qū)域要求折合計(jì)算，選取為35 m。1，2號(hào)橫向截面及船長方向的縱向截面分別通過1，2號(hào)停機(jī)坪中心。

圖4 流場分析截面及1，2號(hào)停機(jī)坪Fig.4 Analysis sections and No.1 and No.2 heliport

2.2 高溫?zé)煔鈱?duì)甲板上方溫度場影響

圖5所示為4種工況下艦船甲板上方空間高溫?zé)煔鉁囟?02 K時(shí)的等值面。從中可觀察到，在相同風(fēng)向下，高溫?zé)煔獾恼w走向幾乎相同。煙氣經(jīng)煙囪排出后，在右舷30°來風(fēng)的卷挾下順流甲板上方向后傳播，但隨著風(fēng)速的增加高溫?zé)煔馀c外部來風(fēng)的流動(dòng)換熱逐漸加劇，導(dǎo)致其整體尺度越來越小。

為進(jìn)一步觀察高溫?zé)煔鈱?duì)艦船甲板上方空間的總體影響，給出了縱向截面（沿船長方向關(guān)鍵截面）上20 m高度處高溫?zé)煔夥植嫉氖寄┪恢茫鐖D6所示。圖中橫坐標(biāo)為風(fēng)速，縱坐標(biāo)D/L為高溫?zé)煔庠?0 m高度處的始末位置相對(duì)船長的無量綱數(shù)。在風(fēng)速為10 m/s時(shí)，高溫?zé)煔鉁囟瘸^302 K的區(qū)域在縱向截面20 m高度處起始于0.55倍船長位置處，于0.92倍船長位置處終止。隨著風(fēng)速的增加，高溫?zé)煔庠诳v向的分布范圍越來越小，逐漸收縮到0.65倍船長位置處。

圖5 4種工況下艦船甲板上方空間溫度302 K時(shí)的等值面Fig.5 Temperature iso-surfaces（302 K）above the ship deck under four conditions

圖6 4種工況下高溫?zé)煔庠诳v向截面的始末位置（20 m高度處）Fig.6 Start and end position on longitudinal section under four conditions（height is 20 m）

圖7所示為4種工況下1號(hào)停機(jī)坪1號(hào)橫向截面的溫度分布云圖。從中可觀察到，在4種工況下，高溫?zé)煔庠诩装逋C(jī)坪一側(cè)上方空間的分布規(guī)律相似，煙氣經(jīng)煙囪排出后，由于溫度梯度的存在和側(cè)風(fēng)的作用，高溫范圍逐漸向甲板另一側(cè)擴(kuò)散，在傳播的過程中，溫度梯度逐漸遞減；隨著風(fēng)速的增加，氣流繞流上層建筑形成的尾渦作用更加明顯，在煙囪背風(fēng)一側(cè)形成的回流更強(qiáng)。

如前文所述，風(fēng)速的增加會(huì)導(dǎo)致高溫?zé)煔馀c外部來流流動(dòng)換熱的增加，以致于對(duì)其影響范圍造成了一定的改變。為詳細(xì)觀察這種改變，選取1號(hào)截面上高溫?zé)煔庠诖瑢挿较騻鞑サ淖钸h(yuǎn)距離作為參考依據(jù)，如圖8所示（縱坐標(biāo)D/B為高溫?zé)煔庠诖瑢挿较騻鞑サ淖钸h(yuǎn)距離相對(duì)船寬的無量綱數(shù)）。由圖8可知，在23 m/s風(fēng)速下，高溫?zé)煔庠?號(hào)截面上傳播的距離最短，約為0.725倍船寬?？紤]到在0.6倍船寬左右會(huì)對(duì)停機(jī)坪的安全使用產(chǎn)生影響，因此在此4種工況下，1號(hào)停機(jī)坪的安全使用無一例外地會(huì)受到高溫?zé)煔獾母蓴_。

圖9給出了2號(hào)停機(jī)坪上方空間的溫度分布。在30°風(fēng)向下，風(fēng)速由10 m/s增加到23 m/s時(shí)2號(hào)停機(jī)坪會(huì)受到高溫?zé)煔獾挠绊?，使?號(hào)停機(jī)坪處直升機(jī)的安全起降受到威脅。

圖7 4種工況下1號(hào)截面的溫度云圖Fig.7 Temperature contours of the No.1 section under four conditions

圖8 4種工況下高溫?zé)煔庠?號(hào)截面的最遠(yuǎn)傳播距離Fig.8 The maximum spreading distance of high temperature gas at No.1 section under four conditions

圖9 4種工況下2號(hào)截面的溫度云圖Fig.9 Temperature contours of the No.2 section under four conditions

2.3 上層建筑壁面溫度分布分析

圖10為4種工況下該型艦船上層建筑壁面的溫度分布。從中可觀察到，壁面高溫區(qū)域除集中在煙囪出口附近外，還集中于另外2處地方：一處位于前部上層建筑靠近煙囪壁面處；另一處位于2號(hào)停機(jī)坪后方甲板表面及后部上層建筑局部壁面。氣流繞流上層建筑會(huì)在其后方形成尾渦，在上層建筑背風(fēng)側(cè)存在一個(gè)低壓區(qū)，在該低壓區(qū)內(nèi)，高溫?zé)煔獗晃N至建筑壁面，導(dǎo)致局部溫度過高，可達(dá)330 K左右。

但在4種不同風(fēng)速下，高溫?zé)煔鈱?duì)上層建筑壁面影響范圍的大小還略有不同，因此詳細(xì)考察了上層建筑壁面的受影響范圍大小情況，如圖11所示。圖中，z軸為受高溫?zé)煔庥绊懙拿娣e大小，x軸為風(fēng)速，y軸為溫度。從三維圖中可以明顯觀察到，上層建筑在低風(fēng)速情況下受到的影響更明顯。在10 m/s風(fēng)速下，壁面溫度超過330 K的區(qū)域達(dá)8.8 m2，壁面溫度超過310 K的區(qū)域高達(dá)73 m2。隨著風(fēng)速的增加，這種影響將逐漸遞減。在23 m/s風(fēng)速下，壁面溫度超過310 K的區(qū)域不到5 m2。

圖10 4種工況下艦船上層建筑壁面溫度分布云圖Fig.10 Temperature contours of ship superstructure wall surface under four conditions

圖11 不同工況下高溫?zé)煔鈱?duì)上層建筑壁面的影響范圍Fig.11 Influence range of the high temperature gas on superstructure wall surface under four conditions

3 結(jié) 論

1）在右舷30°風(fēng)向下，艦船排氣系統(tǒng)所排高溫?zé)煔庠陲L(fēng)速10～23 m/s時(shí)在甲板上方空間的整體走向一致，但隨著風(fēng)速的增加，高溫?zé)煔庠陧樍飨蚝髠鞑サ倪^程中尺度越來越小，衰減過程越來越快；在縱向觀察截面，隨著風(fēng)速的增加，高溫?zé)煔庠絹碓郊杏?.65倍船長處。

2）在 30°風(fēng)向、風(fēng)速10～23 m/s情況下，1，2號(hào)停機(jī)坪上方35 m高空均不同程度地包含有超溫區(qū)域，在此處直升機(jī)的起降安全會(huì)受到影響，且隨著風(fēng)速的增加，超溫?zé)煔庠?，2號(hào)截面的最遠(yuǎn)傳播距離也在減小，由風(fēng)速10 m/s下的最遠(yuǎn)至0.78倍船寬降到了風(fēng)速23 m/s下的最遠(yuǎn)至0.72倍船寬。因此，對(duì)位于艦船上層建筑背風(fēng)側(cè)的停機(jī)坪，其設(shè)計(jì)選擇要更為慎重。同時(shí)，在艦船航行過程中，該處停機(jī)坪的使用安全性也更應(yīng)受到關(guān)注。

3）在艦船上層建筑靠近煙囪的壁面處，由于上層建筑尾渦對(duì)高溫?zé)煔獾木砦饔?，致使其局部溫度過高，約達(dá)330 K，且風(fēng)速越低，受超溫?zé)煔庥绊懙拿娣e越大；在風(fēng)速為10 m/s時(shí)，上層建筑表面溫度超過330 K的面積達(dá)8.8 m2。因此，艦船上層建筑表面的電子儀器等設(shè)備應(yīng)盡量布置在遠(yuǎn)離靠近排氣系統(tǒng)附近的壁面處，仿真結(jié)果可為具體的布置方案提供一定的參考。