，

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

對(duì)于相對(duì)封閉的艦船內(nèi)部艙室環(huán)境來(lái)說(shuō)，在火災(zāi)發(fā)生的時(shí)候，能否及時(shí)地將煙氣排走，將直接影響到傷員救援效率和滅火系統(tǒng)投入時(shí)機(jī)。目前艦船用排煙風(fēng)機(jī)設(shè)備規(guī)范尚未頒布，在GB 50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[1]中有“排煙風(fēng)機(jī)應(yīng)能在280 ℃的環(huán)境條件下連續(xù)工作不少于30 min”的要求，且允許30 min后失效并不可恢復(fù)。在艦船消防排煙要求下，對(duì)排煙風(fēng)機(jī)在高溫下的使用時(shí)間提出了更高要求，然而風(fēng)機(jī)電機(jī)如果長(zhǎng)期在高溫環(huán)境下運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)功率輸出變小，電機(jī)運(yùn)行效率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)[2-3]。因此需要在高溫環(huán)境下通過冷卻設(shè)計(jì)來(lái)提高風(fēng)機(jī)電機(jī)的壽命和可靠性。采用數(shù)值傳熱學(xué)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)對(duì)某高溫通風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬[4]，計(jì)算電機(jī)在不同工況下的溫度，選擇合理的設(shè)計(jì)方案，保證風(fēng)機(jī)能在高溫排煙工作條件下安全可靠工作。

1 物理仿真模型

1.1 風(fēng)機(jī)模型

軸流式排煙風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)形式有電機(jī)與主氣流隔離式和一體式兩種[5-6]。為了能延長(zhǎng)電機(jī)在高溫條件下的使用時(shí)間，風(fēng)機(jī)模型設(shè)計(jì)形式采用電機(jī)與主氣流隔離式設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)見圖1。其主要由電機(jī)、葉輪、機(jī)殼、電機(jī)艙殼等部件組成，其中電機(jī)通過法蘭與圓筒形機(jī)殼聯(lián)接在一起，葉輪與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，葉輪位于機(jī)殼內(nèi)部，電機(jī)艙與高溫氣流隔離。當(dāng)葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，高溫氣流從進(jìn)口軸向進(jìn)入機(jī)殼和電機(jī)艙殼間的風(fēng)道，流經(jīng)葉輪加壓后排出風(fēng)機(jī)。電機(jī)艙殼均設(shè)計(jì)隔熱層，將電機(jī)與高溫氣流隔開[7-8]。

1.2 冷卻方案一

電機(jī)艙前端設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)道設(shè)置為冷卻風(fēng)進(jìn)風(fēng)口，冷卻風(fēng)經(jīng)過電機(jī)冷卻后，從機(jī)軸處設(shè)計(jì)的冷卻風(fēng)道排出，見圖2。依據(jù)設(shè)計(jì)尺寸建立三維幾何模型，見圖3。為了計(jì)算方便同時(shí)提高網(wǎng)格質(zhì)量，采用CFD軟件對(duì)風(fēng)機(jī)模型的網(wǎng)格劃分，并對(duì)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，省略機(jī)殼、葉輪等部件，模型中保留電機(jī)殼、電機(jī)軸、電機(jī)艙及冷卻進(jìn)風(fēng)道[9-10]。網(wǎng)格劃分均采用多面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約120萬(wàn)。

圖3 冷卻方案一模型及其網(wǎng)格劃分

1.3 冷卻方案二

電機(jī)艙后端設(shè)置冷卻風(fēng)道，作為冷卻風(fēng)進(jìn)風(fēng)口，冷卻風(fēng)經(jīng)過電機(jī)冷卻后直接從電機(jī)艙前端排出，不單獨(dú)設(shè)計(jì)冷卻風(fēng)排風(fēng)道，見圖4。網(wǎng)格劃分見圖5。

圖4 冷卻方案二

圖5 冷卻方案二模型及其網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算方法與邊界條件

2.1 計(jì)算方法

采用 RNGk-ε湍流模型，相比standardk rd krdk-ε模型，RNGk-ε湍流模型對(duì)于空間內(nèi)流場(chǎng)模擬中的非等溫、混合對(duì)流有更高的精度[11]。另外，雖然使用零方程模型進(jìn)行計(jì)算能夠減少計(jì)算量[12]，但其衰減速度相比于RNGk-ε模型更快，不能準(zhǔn)確反映室內(nèi)流場(chǎng)變化。采用隱式SIMPLEC算法耦合壓力和速度場(chǎng)收斂標(biāo)準(zhǔn)，為同時(shí)達(dá)到質(zhì)量和熱平衡，空氣密度采用Boussinesq假設(shè)。

2.2 邊界條件

方案一和方案二邊界條件的設(shè)置見表1。方案一：冷卻風(fēng)溫65 ℃，風(fēng)速設(shè)置為10 m/s。根據(jù)冷卻風(fēng)道流通面積(0.018 768 m2)，冷卻風(fēng)量為718.8 m3/h；方案二：冷卻風(fēng)溫度65 ℃，風(fēng)速分別設(shè)置為12 m/s和25 m/s，根據(jù)冷卻風(fēng)道流通面積(0.018 768 m2)，冷卻風(fēng)量為862.6 m3/h和1 854.7 m3/h。

表1 邊界條件

3 仿真結(jié)果分析

3.1 方案一

冷卻風(fēng)從電機(jī)艙前端的風(fēng)道進(jìn)入電機(jī)艙內(nèi)，與電機(jī)對(duì)流換熱后從電機(jī)艙后部的出口流出。圖6顯示電機(jī)艙內(nèi)冷卻風(fēng)的路徑和走向。圖7為電機(jī)各部分溫度隨時(shí)間變化關(guān)系。

圖6 電機(jī)艙內(nèi)流場(chǎng)

圖7 電機(jī)各部分溫度隨時(shí)間變化關(guān)系

電機(jī)艙前端的風(fēng)道冷卻風(fēng)的進(jìn)口溫度338 K(65 ℃)，在電機(jī)艙內(nèi)的平均溫度是346.2 K(73.2 ℃)，溫升8.2℃。電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始溫度設(shè)置為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到405.3 K(132.3 ℃)，溫升32.3 ℃。電機(jī)殼溫度的初始溫度同樣為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到399.2 K(126.2 ℃)，溫升26.2 ℃。選取第5 min、第15 min、第20 min和第30 min 4個(gè)時(shí)間點(diǎn)的軸截面溫度分布和電機(jī)表面溫度分布。見圖8～13。其中圖12為第30 min的風(fēng)機(jī)軸截面溫度分布情況，圖13為第30 min時(shí)電機(jī)殼表面溫度分布情況，可以看到此時(shí)電機(jī)殼表面最高溫度已達(dá)到400 K(127 ℃)，且溫度較高的區(qū)域位于電機(jī)右半部分。

圖8 軸截面溫度分布情況(5 min)

圖9 電機(jī)表面溫度分布情況(5 min)

圖10 軸截面溫度分布情況(15 min)

圖11 電機(jī)表面溫度分布情況(15 min)

圖12 軸截面溫度分布情況(30 min)

圖13 電機(jī)表面溫度分布情況(30 min)

3.2 方案二

1)采用冷卻風(fēng)流速為12 m/s條件下仿真結(jié)果。圖14表明電機(jī)艙內(nèi)冷卻風(fēng)的路徑和走向。冷卻風(fēng)從靠近軸端的風(fēng)道進(jìn)入電機(jī)艙內(nèi)，與電機(jī)對(duì)流換熱后從左側(cè)的出口流出，而且在出口處沒有出現(xiàn)回流。因此冷卻風(fēng)入口位置比方案一更合理。圖15為電機(jī)各部分溫度隨時(shí)間變化關(guān)系圖。冷卻風(fēng)的進(jìn)口溫度338 K(65 ℃)，在電機(jī)艙內(nèi)的平均溫度是345.5 K(72.5 ℃)，溫升7.5 ℃。電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始溫度設(shè)置為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到396.9 K(123.9 ℃)，溫升23.9 ℃。電機(jī)殼溫度的初始溫度同樣為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到393.8 K(120.8 ℃)，溫升20.8 ℃。圖16為第30 min的風(fēng)機(jī)軸截面溫度分布情況，圖17為第30 min時(shí)電機(jī)殼表面溫度分布情況。可以看到此時(shí)電機(jī)殼表面最高溫度已達(dá)到400 K(127 ℃)以上，溫度較高的區(qū)域位于電機(jī)右半部分，由于冷卻風(fēng)速較低，電機(jī)運(yùn)行溫度較高。

圖14 電機(jī)艙內(nèi)冷卻風(fēng)的路徑和走向

圖15 電機(jī)各部分溫度隨時(shí)間變化關(guān)系

圖16 軸截面溫度分布情況(30 min)

圖17 電機(jī)表面溫度分布情況(30 min)

2)采用冷卻風(fēng)流速為25 m/s條件下的數(shù)值模擬結(jié)果。圖18為電機(jī)各部分溫度隨時(shí)間變化關(guān)系。冷卻風(fēng)的進(jìn)口溫度338 K(65 ℃)，在電機(jī)艙內(nèi)的平均溫度是343.3 K(70.3 ℃)，溫升5.3 ℃。電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始溫度設(shè)置為373 K(100 ℃)，30 min后上升到386.7 K(113.7 ℃)，溫升13.7 ℃。電機(jī)殼溫度的初始溫度同樣為373 K(100 ℃)，經(jīng)過30 min后上升到384.0 K(111 ℃)，溫升11 ℃。圖19為第30 min的風(fēng)機(jī)軸截面溫度分布情況，圖20為第30 min時(shí)電機(jī)殼表面溫度分布情況?？梢钥吹酱藭r(shí)電機(jī)殼表面最高溫度已達(dá)到400 K(127 ℃)以上，且溫度較高的區(qū)域位于電機(jī)右半部分，因此該處最需要冷卻。由于冷卻風(fēng)速提高，因此電機(jī)殼的散熱效果增強(qiáng)。

圖18 電機(jī)各部分溫度隨時(shí)間變化關(guān)系

圖19 軸截面溫度分布情況(30 min)

圖20 電機(jī)表面溫度分布情況(30 min)

4 結(jié)論

1)采用計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值傳熱學(xué)方法對(duì)船用高溫軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)開展耦合數(shù)值模擬，模擬結(jié)果可對(duì)風(fēng)機(jī)冷卻設(shè)計(jì)提供一定參考。

2)方案一的冷卻風(fēng)的出口位置不太合理，因?yàn)楦咚傩D(zhuǎn)的葉輪會(huì)對(duì)冷卻風(fēng)出風(fēng)造成阻礙，因此在實(shí)際應(yīng)用中冷卻效果可能會(huì)受到影響。

3)方案二采用冷卻風(fēng)出風(fēng)方向與風(fēng)機(jī)排風(fēng)方向相同的設(shè)計(jì)方案后，冷卻效果優(yōu)于方案一。通過選取2種不同的冷卻風(fēng)速，25 m/s的冷卻風(fēng)速時(shí)電機(jī)殼溫度明顯低于采用12 m/s冷卻風(fēng)速，可以得到在一定電機(jī)艙空間條件下，理論冷卻空氣的流速越大，電機(jī)散熱的效果就越好，但在能夠達(dá)到電機(jī)冷卻要求的前提下，應(yīng)盡可能采用較小的冷卻風(fēng)量。