黃少雄， 竇培林， 溫海濤

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.廣州打撈局， 廣東 廣州515206)

0 引 言

傳統(tǒng)大型客船的上層建筑設計只考慮了上層建筑的使用功能，沒有考慮上層建筑外形的氣動性能，使得甲板上層建筑多為鈍體[1]。在氣流流過甲板上層建筑時，原本平穩(wěn)流動的氣流組織被破壞，在上層建筑后方形成紊流和渦流區(qū)，煙霧易被卷入在煙囪背部形成的渦流區(qū)域，甚至可能出現(xiàn)甲板落塵，不利于煙霧排放，因此需對甲板上層建筑氣流場結構對煙霧擴散的影響進行研究。

現(xiàn)代船舶煙囪的趨勢是高度低、體積大、外形光滑，這些特征經常導致煙霧下洗。煙霧下洗是指煙囪附近的渦旋運動造成的煙羽在背風面向下混合的現(xiàn)象。煙霧下洗降低了煙霧的源高，使上層建筑附近煙霧濃度升高。

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，研究大型客船煙霧與上層建筑的相互作用，分析湍流區(qū)域、速度比k(0.5、1.0、1.5、2.0)、偏航角φ(0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°)對煙霧擴散特性的影響。

1 數(shù)值計算理論

數(shù)值分析基于(N-S)方程[2]求解不可壓縮牛頓流體，其形式為

(1)

式中：ρ為流體密度；Fx、Fy、Fz為單位體積上的質量力在x、y、z方向上的分量；u、v、w為3個方向上的速度分量；pij為單位體積上應力張量的分量；t為時間。

任何流動都必須滿足質量守恒定律，該定律可描述為單位時間內流體微元體中質量的增加，等于同一時間間隔內流入該微元體的凈質量。按照這一定律,質量守恒方程為

(2)

本文計算采用標準k-ε湍流模型，k、ε輸運方程為

(3)

(4)

2 煙霧擴散機理

2.1 船舶煙囪周圍氣體流動

為了觀察在船舶煙囪周圍的氣體流動狀態(tài)，將煙囪視為長圓柱體。當理想氣體流過煙囪時，流速增加，這導致相應的動能增加，壓力減小。理想氣體通過圓柱的最大寬度處，動能處于最大值，并且在圓柱尾部回歸到初始流動狀態(tài)。然而，空氣不是理想氣體，作為真實的氣體，它具有黏度，流過圓柱時會產生動能損失，流動被迫分離，因此在圓柱后部的流動狀態(tài)不同于初始流動狀態(tài)。在其流動分離形成的區(qū)域，其壓力低于自由流但高于其周圍的快速移動的區(qū)域，最終在圓柱尾部形成渦旋。渦旋隨著自由流動的氣體向下游流動并緩慢破裂，這導致渦旋的質量增加且動量降低，最終渦旋完全破裂，流動不再遵循任何特定的模式。研究表明，當渦不斷增長、擺動加強且不穩(wěn)定的對稱渦旋破碎時，會形成周期性交替脫落的卡門渦街，如圖1所示。船舶煙囪煙霧擴散是非常復雜的，除了與煙囪本身的結構形狀有關外，還跟湍流區(qū)域、速度比、偏航角等3個因素有關。

圖1 卡門渦街

2.2 湍流區(qū)域

船舶上層建筑湍流區(qū)域是煙霧擴散問題的一個重要因素。湍流區(qū)域的高度主要由上層建筑的幾何形狀決定。文獻[3-5]研究由船舶上層建筑結構引起的湍流問題和解決煙霧污染問題的方法。文獻[6]給出湍流區(qū)域高度的估算方法，這種方法適用具有正常比例的上層建筑的船舶，但不能代替風洞試驗。湍流區(qū)的近似高度可以通過以下公式確定：

T=αH

(5)

式中：T為湍流區(qū)域高度；α為基于上層建筑前部形狀因素，方形邊界α=1.0，圓形邊界(大部分的現(xiàn)代船舶)α=0.8；高度H為上層建筑的“有效高度”。

2.3 速度比

速度比k定義為VE/VW，其中：VE為煙霧速度；VW為風速。同一艘船改變主機的輸出功率和風速，速度比變化很大?；陲L洞試驗研究，SHERLOCK等[7]提出，在相同的k值下，不同的煙囪設計煙霧上升高度差異很大，同時指出k是下洗現(xiàn)象的決定因素。SHERLOCK等[8-9]的早期風洞試驗提出公認的規(guī)則，即如果煙囪頂部的速度比為1.5或更大，則下洗現(xiàn)象不會發(fā)生或非常輕微。

2.4 偏航角

偏航角φ是風相對于船舶航向的角度。船舶在風速VW下以一定的速度Vship航行，船舶上層甲板上的風被定義為Vwod，矢量和為Vwod=VW-Vship，方向由偏航角φ定義，如圖2所示。偏航角也影響煙囪周圍的湍流區(qū)域和下洗。通常，船舶煙囪的高度大于煙囪的寬度，因此船舶航向改變，煙囪周圍的流動模式也會發(fā)生改變。對于單個煙囪的船舶來說，偏航角在15°～60°時，煙囪排放效率逐漸下降，60°～90°時，排煙效率逐漸提高。這種變化是由煙囪周圍氣流組織的改變引起的。

圖2 偏航角

3 數(shù)值模型

本文采用的計算模型船長266 m、船寬48 m、型深25 m、吃水8 m、上層建筑高度15 m，煙囪高度10 m，由于本文主要研究煙霧與上層建筑的相互作用，不考慮水線以下部分，幾何模型如圖3所示。

圖3 船舶模型

文獻[10]給出艦船氣流場數(shù)值模擬計算域的設定范圍，本文選取的計算域前后邊界距船首和船尾均為2倍的船長，左右邊界距船中縱剖面6倍的船寬，高度為水面最大高度的6倍。為了減少網格數(shù)量和計算時間采用混合網格劃分計算域，即將計算域劃分為2個域：外域和包含船體的內域，如圖4所示。內域采用非結構化的四面體網格，外域采用結構化的六面體網格，如圖5所示。

圖4 計算域

圖5 計算域網格劃分

大型船舶航行時，氣流組織比較復雜，本文簡化計算工況，假定船舶在無風條件下以20 kn的航速直航，邊界條件：入口為速度入口，出口為壓力出口；煙囪頂部設置為速度入口,煙霧以空氣代替，選擇合適的煙氣速度確保速度比k為0.5、1.0、1.5、2.0；左右面和底面都設置為無滑移壁面。如圖6所示。

圖6 邊界條件

4 結果分析

(1) 速度比k的影響

如圖7所示，在偏航角度φ=0°時，可以清楚地看到4種不同的速度比值k=0.5、1.0、1.5、2.0對煙霧擴散的影響。隨著速度比的增大，煙霧的動量增大，煙霧上升的高度也隨之增加，煙霧下邊界與甲板之間的距離增大。煙霧在水平來流的作用下，向水平方向彎曲，最終運動流動方向與來流的流動方向一致。當k=0.5時，產生輕微的下洗現(xiàn)象；當k=1.0、1.5、2.0時，沒有下洗現(xiàn)象產生。如圖8所示，排除煙囪本身的局部空氣動力學干擾，發(fā)現(xiàn)煙霧擴散是對稱的，原因是上層建筑關于船舶中縱剖面對稱，因此當船舶迎風直航時氣流組織也應該關于中縱剖面對稱。

圖7 φ=0°時速度比k對煙霧擴散的影響

圖8 煙霧擴散對稱分布

(2) 偏航角φ的影響

在k= 1時，不同偏航角0°、10°、15°、20°、25°、30°的煙霧速度流線圖如圖9所示，隨著偏航角度的增大煙氣上升高度逐漸減小。偏航角φ=10°可以明顯地觀察到煙氣向下彎曲的趨勢，φ=15°時趨勢更加明顯。在偏航角φ=20°時，煙霧卷入煙囪背部形成的渦旋，煙囪后面的煙氣濃度呈增加趨勢，擴散至艉部甲板，產生下洗現(xiàn)象，主要原因是當偏航角度增大，原來穩(wěn)定的氣流組織模式被破壞，導致上層建筑氣流組織混亂。偏航角度20°～30°范圍內不利于煙霧的排放，所有有利于煙霧排放的因素都消失了。在這些不利偏航角的范圍內，煙囪周圍混亂的氣流組織導致下洗現(xiàn)象的發(fā)生。煙囪的排放性能隨著偏航角從15°增加至30°而減弱。

圖9 k=1時偏航角對煙霧擴散的影響

(3) 偏航角φ=30°時速度比k的影響

圖10 a)所示為φ=0°時煙囪頂部的速度云圖，在φ=0°時氣流組織關于船舶中縱剖面對稱，圖中速度較大的區(qū)域是因為氣流流經船體時，上層建筑與煙囪的存在導致橫截面積減小，流速增大。然而，一旦船開始轉向，氣流對稱模式就被破壞，φ=30°時煙囪頂部氣流組織如圖10 b)所示，氣流組織分布非常混亂。選取偏航角φ=30°為研究對象，因為在φ=30°時下洗現(xiàn)象非常嚴重，同時氣流組織也非?；靵y，φ=30°時速度比k對煙霧擴散的影響如圖11所示。在k=0.5時和k=1.0時有明顯的下洗現(xiàn)象，尤其在k=0.5時，煙霧直接擴散到艉部甲板，主要原因是船舶轉向造成上層建筑原本平穩(wěn)對稱流動的氣流組織被破壞，同時煙霧的速度較低，煙霧上升的高度還沒有離開上層建筑產生的湍流區(qū)域就被卷入煙囪后部的渦流區(qū)，向甲板擴散。在k=1.5和k=2.0時煙霧動量的增加能夠克服煙囪背部渦旋的吸力，在煙霧向水平方向彎曲之前，上升至更大高度，煙霧以更高的高度通過甲板，下洗現(xiàn)象非常輕微。

圖10 煙囪頂部速度云圖

圖11 φ=30°時速度比k對煙霧擴散的影響

速度比k和偏航角對下洗現(xiàn)象的影響如表1所示。從表1可以看出：當k=0.5和1.0時，在偏航角的不利范圍內容易產生煙霧下洗現(xiàn)象；當k=1.5和2.0時，煙霧動量的增加能夠克服煙囪背部渦旋的吸力，煙霧以離甲板更高的距離通過艉部甲板，沒有下洗現(xiàn)象產生。

表1 下洗現(xiàn)象

5 結 論

本文主要針對空氣與上層建筑相互作用產生的氣流場對煙霧擴散的影響進行了數(shù)值模擬。計算結果表明：對于三維速度分布的預測，CFD 可以給出比較準確的計算結果。通過對湍流區(qū)域、速度比、偏航角的分析得出以下結論：

(1) 隨著速度比的增大，煙霧的動量增大，煙霧上升的高度也隨之增加，煙霧下邊界與甲板之間的距離增大。

(2) 偏航角度φ=0°時，排除煙囪本身的局部空氣動力學干擾，發(fā)現(xiàn)煙霧對稱擴散。

(3) 偏航角φ超過15°可以明顯地觀察到在煙囪背部開始產生下洗現(xiàn)象。

(4) 通過增加煙霧的動量可以克服在偏航角不利范圍內的下洗問題。