梁思泰

上海海事大學(xué)商船學(xué)院

0 引言

船舶內(nèi)的發(fā)動機安全運行是船舶運行的重要保障，要保證船舶發(fā)動機穩(wěn)定運行需要一個正常的溫度。發(fā)動機在運行時會散發(fā)出熱量，船舶淡水冷卻系統(tǒng)作為船舶運行的必要設(shè)備，其組成部分中的三通管至關(guān)重要[1-3]，因此，溫度場數(shù)值模擬非常關(guān)鍵[4]。船舶淡水冷卻系統(tǒng)是船舶上用于冷卻發(fā)動機等設(shè)備的系統(tǒng)，由三通閥、膨脹水箱、高低淡水冷卻器、高溫淡由水閥、潤滑油冷卻器等組成。需冷卻部分主要為發(fā)動機的活塞與氣缸，見圖1。

圖1 船舶淡水冷卻系統(tǒng)簡圖

本文模擬船舶淡水冷卻系統(tǒng)三通管溫度場內(nèi)部的流場，通過ANSYS建模仿真進(jìn)行數(shù)值模擬，計算出三通管內(nèi)部的溫度和壓力分布。然后利用Fluent軟件進(jìn)行溫度場模擬，經(jīng)過計算得出三通管的溫度矢量云圖和壓力分布云圖[5-7]。通過模擬船舶淡水系統(tǒng)中的三通管可以呈現(xiàn)出三通管內(nèi)部的壓力分布和溫度分布，由此判斷管道內(nèi)部的溫度損失、支路和聯(lián)通處的壓力變化。在實際生產(chǎn)過程中對船舶淡水冷卻系統(tǒng)三通管設(shè)計有指導(dǎo)作用，對相關(guān)的溫度場實驗具有參考價值。

1 三通管的設(shè)計與參數(shù)

1.1 三通管的分類及材料選擇

根據(jù)設(shè)計溫度與設(shè)計壓力，三通管的管道可分為3個類型，根據(jù)不同的發(fā)動機選擇不同類型的管道，具體分類見表1。本文系對低速柴油機的溫度模擬，因此選擇Ⅰ級管系。

1.2 溫度設(shè)計

確定溫度是溫度場數(shù)值模擬的重要環(huán)節(jié)，溫度需要不斷進(jìn)行混合測試，使其達(dá)到既能減少溫度損耗，又能節(jié)約成本，并達(dá)到符合冷卻要求的溫度，使船上的發(fā)動機處于安全穩(wěn)定工作狀態(tài)。

溫度可以根據(jù)《船舶設(shè)計實用手冊》確定，具體溫度設(shè)計可參照表2。

表2 管內(nèi)溫度推薦

1.3 管徑設(shè)計

管徑可根據(jù)三通管的管內(nèi)流體速度計算，公式如式（1）

di—管子內(nèi)徑（m）；

qv—體積流量（m3/h）；

v—管內(nèi)流體流速(m/s)。

qm—質(zhì)量流量（kg/h）；

ρ—流體密度（kg/m3）；

表1 不同類型三通管的參數(shù)

由表2可見，淡水冷卻管吸入管與排放管流速范圍均在1.2 m/s～2.7m/s，在此均選取2m/s。根據(jù)船舶任務(wù)設(shè)計書第一個進(jìn)口取體積流量為80m3/h，第二個進(jìn)口取體積流量為40m3/h，根據(jù)上述公式得出管子內(nèi)徑分別為120mm和85mm。三通管尺寸見圖2。

圖2 三通管尺寸圖

2 模型的建立與假設(shè)

2.1 建立計算域模型

船舶淡水冷卻系統(tǒng)三通管溫度場數(shù)值的模擬仿真是針對三通管的管路內(nèi)部流場的模擬仿真，可以在忽略壁厚的情況下建立流場計算域模型。本文選擇船舶淡水冷卻系統(tǒng)中三通管的管道建模，所建模型見圖3。

圖3 三通管內(nèi)部網(wǎng)格圖

在管路中靠近管壁的流體流速約等于零，因此管道網(wǎng)格化時，管壁的網(wǎng)格為矩形，而中間的流通區(qū)域為三角形。

2.2 對三通管內(nèi)流體數(shù)值分析

針對所建立的模型，作出以下假設(shè)：

1）冷卻水為連續(xù)介質(zhì)流體，流體流動為湍流，不可壓縮牛頓流體；

2）在兩個進(jìn)水口中分別以①速度值=0.3m/s、湍流強度=5%、水壓直徑=0.15m、溫度=60℃與②速度值=0.1m/s、湍流強度=5%、水壓直徑=0.10m、溫度=80℃為邊界條件進(jìn)行設(shè)置，邊界條件中大部分可以選擇默認(rèn)值，在設(shè)置入口和出口的溫度之后，還需要選擇監(jiān)控對象，在此選擇具有連續(xù)性、殘差的動量方程。經(jīng)過計算后得到流量監(jiān)控圖，見圖4。

3 結(jié)果分析與討論

圖5為三通管裝置的壓力分布云圖。紅色部分代表壓力較大，藍(lán)色部分顯示為負(fù)壓。從圖5可見三通管上部壓力較大，在連接處產(chǎn)生負(fù)壓現(xiàn)象，而且壓力不符合要求。兩股不同壓力的流體混合后流過同一管道時，在管道交界處壓力最小，在混合管道的末端壓力達(dá)到最大。圖6為三通管溫度分布云圖。紅色代表高溫部分，藍(lán)色代表低溫部分。兩股不同溫度的流體混合后流過同一管道，混合后的溫度處于兩者之間，且管道越長，出口流體溫度越接近平均值。設(shè)定溫度分別為40℃與80℃的兩股流體進(jìn)入三通管，出口溫度接近60℃，但仍有一定差異。

圖4 流量監(jiān)控過程圖

圖5 三通管壓力云圖

圖6三通管溫度云圖

圖7 為三通管速度矢量云圖?？梢悦黠@看出，三通管上部為熱流體入口，內(nèi)部溫度較高，分子較為混亂，流速較大。在三通管交界處冷熱流體進(jìn)行對流換熱，產(chǎn)生階梯狀溫度場與流速場，有效控制流速可以達(dá)到增強換熱的目的。

圖7 速度矢量云圖

4 結(jié)論

設(shè)計一套應(yīng)用于船舶淡水冷卻系統(tǒng)的三通管裝置，并利用ANSYS軟件進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分，利用Fluent軟件進(jìn)行了仿真計算，從壓力云圖得出以下結(jié)論：

1）兩股不同壓力的流體混合后流過同一管道時，在管道交界處壓力最小，在混合管道的末端壓力達(dá)到最大。

2）兩股不同溫度的流體混合后流過同一管道，混合后的溫度處于兩者之間，且管道越長，出口流體溫度越接近平均值。

3）兩股不同速度的流體混合后流過同一管道，通過Fluent對三通管的速度場、溫度場和壓力場的數(shù)值分析，得出相應(yīng)的分布圖。