郭 昂，王 博，申高展，周鑫濤，吳 憲，郭楊陽(yáng)，王海寧

(中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無(wú)錫 214082)

0 引 言

雙體船因其具有振動(dòng)小、輻射噪聲低、舒適性好、作業(yè)甲板面積大、橫向穩(wěn)定性和航向穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)公務(wù)船、調(diào)查船和軍船等領(lǐng)域均占據(jù)十分重要的位置。

大尺度雙體船型深和船寬都比較大，其獨(dú)特的雙片體結(jié)構(gòu)形式，泵浦吸高能力對(duì)設(shè)備位置的限制，加之現(xiàn)行規(guī)范、公約對(duì)于系統(tǒng)配置和設(shè)備冗余度的要求，使得機(jī)艙設(shè)備繁多、空間擁擠，這給機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大難度。作為船上最為重要的通風(fēng)系統(tǒng)，機(jī)艙通風(fēng)效果的優(yōu)劣、氣相組織的合理分布將直接影響到主、輔機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、電氣元件的使用壽命和船員的作業(yè)安全和工作效率[1]；不良的通風(fēng)會(huì)造成局部溫度過(guò)高、油氣聚集，并加大火災(zāi)或爆炸的風(fēng)險(xiǎn)[2,3]。

本文以目前在建的，也是世界最大的小水線面雙體船為例，利用CFD技術(shù)進(jìn)行機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬，分析其典型截面的氣相組織分布，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。

1 機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的物理模型

本船機(jī)艙長(zhǎng)13 m、寬32 m，最高處19.5 m（不計(jì)煙囪高度），機(jī)艙總?cè)莘e3 700 m3。為適應(yīng)雙片體船型的特點(diǎn)，并滿足規(guī)范對(duì)于無(wú)限航區(qū)船舶的系統(tǒng)配置要求以及試驗(yàn)功能多樣化的需求，本船機(jī)艙設(shè)備繁多、布置密度高。經(jīng)機(jī)艙熱負(fù)荷和最小換氣次數(shù)對(duì)比計(jì)算，本船全負(fù)荷工況所需通風(fēng)量為27.5×104m3/h，通風(fēng)系統(tǒng)采用4臺(tái)送風(fēng)機(jī)（風(fēng)量7.0×104m3/h，全壓690 Pa），并配套布風(fēng)器、百葉窗等管路附件。機(jī)艙內(nèi)主要設(shè)備和風(fēng)管布置如圖1所示。

根據(jù)機(jī)艙段型線圖以及設(shè)備認(rèn)可資料采用Pro/E建立其機(jī)艙、艙內(nèi)設(shè)備和風(fēng)管的物理模型。為滿足有限元網(wǎng)格劃分和計(jì)算效率的需要，對(duì)復(fù)雜繁多的機(jī)電設(shè)備、管系、電纜進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[5-6]：

圖1 機(jī)艙主要設(shè)備和風(fēng)管布置Fig. 1 Main equipment and duct layout in the cabin

1）忽略對(duì)艙室熱環(huán)境和氣流組織影響較小的小功率油/水泵、管系、電纜和配電箱，對(duì)外形復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備采用規(guī)則化處理；

2）忽略對(duì)熱環(huán)境影響較小、但對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度產(chǎn)生較大不利影響的煙管。

建立外形尺寸較大以及傳熱量較大的設(shè)備的物理模型[7]：4臺(tái)3 500 kW的主柴油發(fā)電機(jī)組、空壓機(jī)和空氣瓶組、燃油分油機(jī)組、滑油分油機(jī)組、低硫油冷水機(jī)組、局部細(xì)水霧裝置、鍋爐、熱井、焚燒爐、冷卻器、熱水柜、大功率的油/水泵等；對(duì)于各層甲板、油水艙、通風(fēng)管道作去除材料處理；對(duì)邊界做無(wú)厚度無(wú)位移壁面處理。結(jié)構(gòu)和設(shè)備的外形尺寸要求與實(shí)際尺寸一致，最終得到的機(jī)艙物理模型如圖2所示。

圖2 機(jī)艙物理模型Fig. 2 Cabin physical model

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

采用Ansys/Fluent模塊對(duì)機(jī)艙內(nèi)氣相組織進(jìn)行仿真分析，并選用k-ξ模型進(jìn)行氣流湍流特性的模擬。為獲得較好的模擬效果，提高計(jì)算速率，并突出主要矛盾，做以下理想化處理[8]：

1）流體為不可壓縮理想氣體，流態(tài)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)過(guò)程；

2）除了主風(fēng)機(jī)進(jìn)氣、煙囪和主機(jī)排氣，門(mén)窗處于正常使用狀態(tài)時(shí)的關(guān)閉狀態(tài)，艙內(nèi)密封良好，無(wú)漏氣現(xiàn)象；

3）艙壁采用A-60級(jí)絕熱材料包覆，無(wú)凝水或傳熱現(xiàn)象，作為絕熱壁處理。

2.2 邊界條件的設(shè)置

利用ICEM對(duì)物理模型幾何實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分及質(zhì)量評(píng)定。采用對(duì)復(fù)雜實(shí)體適應(yīng)性較強(qiáng)的全自動(dòng)非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分方式，對(duì)畸形角點(diǎn)進(jìn)行必要的修補(bǔ)和光順處理，對(duì)進(jìn)出風(fēng)口、設(shè)備壁面以及結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角線進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，最終得到網(wǎng)格數(shù)量450 W[9]。網(wǎng)格檢驗(yàn)圖像中，網(wǎng)格體積均為正值，大于0.3的網(wǎng)格占99.5%，網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)定較好。模擬工況：外界環(huán)境為305 K、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；船舶重載，發(fā)電機(jī)組、空壓機(jī)、空調(diào)設(shè)備、配套泵浦等全負(fù)荷工況運(yùn)行。根據(jù)模擬工況和設(shè)備資料進(jìn)行模型邊界條件的設(shè)置，如表1所示。

表1 邊界條件設(shè)置Tab. 1 Sets of boundary conditions

3 模擬過(guò)程和結(jié)果分析

選取機(jī)艙送風(fēng)口為計(jì)算初始點(diǎn)，經(jīng)1503次迭代計(jì)算收斂后，選取人員經(jīng)常巡視和作業(yè)的區(qū)域進(jìn)行典型截面的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)分析，這里選擇主甲板向上1.3 m水平截面處、潛體向上1.3 m水平截面處、左片體中縱剖面處（即Z1，Z2，Y1截面），如圖3～圖5所示。

圖3 截面速度場(chǎng)圖Fig. 3 The distribution of air velocity field

圖4 截面溫度場(chǎng)圖Fig. 4 The distribution of air temperature field

圖5 Y1=0 m截面壓力場(chǎng)圖Fig. 5 The distribution of air pressure field Y1=0 m

可以看出：

1）主甲板區(qū)域。機(jī)艙后端風(fēng)速約為0.2 m/s，此處為人員主通道區(qū)域，風(fēng)速太小不滿足人員舒適度的要求；左舷和右舷的主機(jī)之間溫度適宜，但風(fēng)速為13 m/s，較高的風(fēng)速及由此產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題不利于人員作業(yè)和全船輻射噪聲的控制；兩舷后側(cè)為燃油艙、分油機(jī)、燃油泵及其油管所在區(qū)域，此處風(fēng)速過(guò)小，邊角處有渦流產(chǎn)生，會(huì)造成油霧匯集而不能正常排出，增大了火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；鍋爐、熱井和焚燒爐作為熱源，附近約48 ℃，溫度較高不利于電子設(shè)備的長(zhǎng)期使用和人員操作，同時(shí)不滿足海船規(guī)范對(duì)于機(jī)艙溫度的要求（45℃）；煙囪處溫度和流速較高，但循環(huán)后的熱風(fēng)流經(jīng)煙囪直接排向艙外，且人員通常不會(huì)到達(dá)該處，因此不作嚴(yán)格要求。

2）支柱體和濕甲板區(qū)域.。氣相組織不均衡，速度梯度較大，但此處僅放置供水設(shè)備和冷水機(jī)組，且設(shè)備所在位置溫度和流場(chǎng)尚可，因此其通風(fēng)效果可以接受；在作為排風(fēng)通道的上下梯道口處流場(chǎng)梯度大、風(fēng)速過(guò)大（約15 m/s），氣流將會(huì)因此產(chǎn)生較大的動(dòng)壓和噪聲。

3）潛體區(qū)域。泵浦區(qū)域溫度達(dá)到45 ℃，尾端風(fēng)速太小，接近于一個(gè)大區(qū)域的流動(dòng)死區(qū)，從速度場(chǎng)分析來(lái)看是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口（上下梯道）距離太近，出現(xiàn)了明顯的氣流短路。

4）艙內(nèi)壓力較高，底艙靜壓達(dá)到310 Pa，大大高于人體舒適度對(duì)于壓力范圍的要求（±100 Pa），且會(huì)造成片體脫險(xiǎn)通道防火門(mén)以及通向室外的風(fēng)雨密門(mén)的人工開(kāi)閉困難，不利于日常進(jìn)出，給人員逃生到來(lái)極大安全隱患，同時(shí)過(guò)高的壓力會(huì)引起送風(fēng)機(jī)運(yùn)行偏離其標(biāo)準(zhǔn)流量-壓力工況，從而造成實(shí)際進(jìn)風(fēng)量大大減少。

總之，本設(shè)計(jì)階段的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)了多處流場(chǎng)梯度大，風(fēng)速、溫度和壓力過(guò)高等現(xiàn)象，重點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)了流動(dòng)死區(qū)，因此，亟須對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化以改善其氣相組織分布，提高船舶的安全性和舒適性。

4 通風(fēng)系統(tǒng)的優(yōu)化方案

從減小潛體內(nèi)壓力、均勻化氣流分布、增加氣流有效行程、減少短路現(xiàn)象的角度出發(fā)，在對(duì)艙內(nèi)外設(shè)備布置影響較小的前提下提出優(yōu)化方案，如圖6所示。1）主甲板首部于機(jī)艙外兩側(cè)各增加1臺(tái)抽風(fēng)機(jī)，在左右片體設(shè)垂向風(fēng)道（尺寸1000×300 mm），且在潛體、支柱體、濕甲板布有抽風(fēng)口；2）各層甲板的尾部增加上下貫通的開(kāi)口（尺寸850×400 mm），開(kāi)口處鋪設(shè)防止人員跌落的格柵；3）主甲板從主風(fēng)管引出一通風(fēng)支路至尾部（尺寸600×400 mm），并配套3個(gè)通風(fēng)口；減小主機(jī)處風(fēng)口的格柵尺寸，或機(jī)械限定其開(kāi)度。修改區(qū)域的邊界條件如表2所示，其余保持不變。計(jì)算收斂后，觀察相同位置的氣相組織，如圖7～圖9所示。

圖6 優(yōu)化后機(jī)艙物理模型Fig. 6 Cabin physical model after optimization

可以看出：

1）由于過(guò)流風(fēng)量的增加，重點(diǎn)區(qū)域環(huán)境溫度明顯降低：鍋爐、熱井和焚燒爐附近溫度降低至41 ℃，潛體泵浦區(qū)域溫度降低至40 ℃。

2）流場(chǎng)梯度明顯減小，氣流有效行程增加，主甲板后端主通道風(fēng)速增加到3 m/s，主機(jī)之間的風(fēng)速降低至8 m/s；機(jī)艙尾部氣流擾動(dòng)增加，避免了氣流死區(qū)和旋渦現(xiàn)象，保證了油霧的有效排出；上下梯道口風(fēng)速降低至8 m/s。

3）艙內(nèi)壓力過(guò)高的現(xiàn)象得到明顯改善，潛體降低至100 Pa。這是因?yàn)樵黾恿似w抽風(fēng)管路和甲板開(kāi)孔，排風(fēng)得到了有效的分流；同時(shí)由于排風(fēng)背壓的降低，送風(fēng)機(jī)風(fēng)量將會(huì)進(jìn)一步增加。

表2 邊界條件設(shè)置Tab. 2 Sets of boundary conditions

圖7 截面速度場(chǎng)圖Fig. 7 The distribution of air velocity field

圖8 截面溫度場(chǎng)圖Fig. 8 The distribution of air temperature field

圖9 Y1=0 m截面壓力場(chǎng)圖Fig. 9 The distribution of air pressure field Y1=0 m

總之，優(yōu)化后機(jī)艙整體氣流分布更加均勻、合理，速度梯度明顯減小，氣相組織明顯改善。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文利用CFD軟件對(duì)機(jī)艙內(nèi)通風(fēng)情況進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了其氣相組織的詳細(xì)分布，并進(jìn)一步對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了模擬、分析，其結(jié)果為雙體船通風(fēng)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)提供了有力的參考。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件水平的提高和設(shè)備資料的完善，邊界條件、設(shè)備外形會(huì)更加準(zhǔn)確，進(jìn)而可模擬更為真實(shí)的機(jī)艙環(huán)境；機(jī)艙通風(fēng)的優(yōu)化方式有多種，如改變風(fēng)管布置、艙內(nèi)增加隔板，采用空氣射流技術(shù)[10]等，有待進(jìn)一步研究。