郭晟江，蔣曙暉

（上海船舶研究設(shè)計院，上海201203）

0 前 言

船舶機(jī)艙內(nèi)柴油機(jī)和燃油鍋爐燃燒時產(chǎn)生的煙氣都是在煙囪頂排出至大氣當(dāng)中。 受船舶行駛方向、風(fēng)速和風(fēng)向的影響，煙氣從排氣管排出后的流動情況比較復(fù)雜， 在個別情況下還會發(fā)生回卷現(xiàn)象。 如果回卷后的煙氣進(jìn)入上層建筑處所，則會影響船員的日常生活和身體健康。 某些船東還會對煙囪高度提出加高要求（增加2.5～3.0 m），目的是防止煙氣與煙灰回卷。

船舶行駛過程中，由于相對速度關(guān)系，與外界空氣會產(chǎn)生來風(fēng)氣流，其經(jīng)過上層建筑后，會在上層建筑和煙囪間形成負(fù)壓區(qū)［1-2］，同時在煙囪背部也會形成負(fù)壓區(qū)。 煙氣/煙灰受這部分負(fù)壓區(qū)的作用，會被反卷入負(fù)壓區(qū)， 并通過門窗進(jìn)入上建內(nèi)部，對船員工作生活造成影響，見圖1。煙灰還會對艙室設(shè)備造成一定的破壞，據(jù)船員反饋，有時在艙室內(nèi)會發(fā)現(xiàn)黑色的顆粒狀煙灰。

圖1 煙囪頂煙氣、煙灰對上建影響示意圖

船舶煙囪和上建高度均需遵循各自的設(shè)計要求，為了達(dá)到最佳的防止煙塵回卷效果，煙囪高度與上建高之間的高度差需要選擇一個合理的平衡點。 目前國內(nèi)設(shè)計人員開始重視關(guān)于煙氣流場的研究，隨著計算流體動力學(xué)（CFD）計算分析軟件的廣泛應(yīng)用，把煙氣對上層建筑的影響從停留在經(jīng)驗設(shè)計層面上升到數(shù)值分析與模擬仿真計算，以達(dá)到更加優(yōu)化的上建布置。

1 CFD 仿真計算

計算流體動力學(xué)（CFD） 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于船舶阻力、自航數(shù)值分析等水動力領(lǐng)域，在船舶空氣動力學(xué)方面也較多，但是對于船舶排出煙氣方面的研究還相對較少。 以某5 萬噸級散貨船作為研究對象，應(yīng)用STAR-CCM+計算軟件，對煙囪頂煙氣流場進(jìn)行仿真分析，計算分析流程如圖2 所示。

圖2 煙氣CFD 仿真分析流程圖

1.1 仿真內(nèi)容

仿真計算主要針對船體空氣流場分布、煙囪頂煙氣流場分布和考慮煙囪高度變化后的煙氣流場分布這3 方面進(jìn)行模擬。

1.1.1 船舶正常航速航行狀態(tài)下的船體空氣流場分布

船體空氣流場是煙氣流場分布分析的基礎(chǔ)。 為使分析結(jié)果具有典型性，選擇船舶正常航速航行狀態(tài)作為仿真場景。 采用Realizable k-Epsilon 湍流模型來模擬船舶在穩(wěn)定航行工況下的空氣流場，選用兩層全壁面函數(shù)處理模型。 計算域以船體為中心，X軸指向船首，Z 軸垂直向上， 風(fēng)向從船首到船尾，計算域長為6 倍船長，寬為2.5 倍船長，高為1.5 倍船長。 船身和上層建筑表面使用無滑移邊界條件，計算域空氣入口選用速度入口邊界，空氣出口選用壓力出口邊界，其他邊界采用對稱邊界。 整個計算域網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對船體上層建筑附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，網(wǎng)格總數(shù)約為800 萬，計算域及船體網(wǎng)格劃分見圖3 和圖4。

圖3 計算域示意圖

圖4 上層建筑網(wǎng)格劃分示意圖

1.1.2 煙囪頂煙氣流場分布

在得到穩(wěn)定的空氣流場后， 再考慮煙氣因素。采用多成分氣體模型來模擬排出的煙氣，采用分離流體溫度的求解器， 并用被動標(biāo)量對煙氣進(jìn)行標(biāo)記；由于本次仿真主要考慮煙氣的分布，因此不考慮氣體之間可能存在的化學(xué)反應(yīng)，煙氣入口選用質(zhì)量流量進(jìn)口邊界。 采用非定常求解器，從開始排放煙氣起模擬約150 s 物理時間。

1.1.3 考慮煙囪高度變化后的煙氣流場分布

煙囪高度變化會對煙氣流場產(chǎn)生影響。 對不同高度方案的煙囪分別進(jìn)行建模，并導(dǎo)入計算域模型中分別進(jìn)行數(shù)值模擬，得到在不同煙囪高度下的煙氣流場分布。

1.2 仿真模型

5 萬噸級散貨船羅經(jīng)甲板距基線高度為30.45 m，煙囪頂與羅經(jīng)甲板的高度差范圍為0.45～4.45 m，煙囪頂高度超過4.45 m，會影響雷達(dá)桅天線信號。 在仿真計算時，為降低計算工作量，高度差以1 m 作為變化步長。

煙氣主要通過上建的開口進(jìn)入船員的生活處所，這些開口包括門、窗和通風(fēng)口，主要集中在舷側(cè)和船尾方向，尤其是位置較高，與船員日常生活息息相關(guān)， 靠近煙囪尤其是面向煙囪的可開啟門窗。 比如上建走道的外開門和駕駛室兩舷門等經(jīng)常開閉，通常會被船員保持常開狀態(tài)的門，對于醫(yī)務(wù)室，如煙氣進(jìn)入，會對病員造成進(jìn)一步傷害。 相對而言，儲藏室、公共浴廁等處所的門窗重要性較低。 進(jìn)風(fēng)口，主要是機(jī)艙通風(fēng)、中央空調(diào)、廚房及空調(diào)柜機(jī)。

5 萬噸級散貨船上建的門、 窗和通風(fēng)口的分布見表1。 上建及煙囪模型見圖5，圖中對門、窗和通風(fēng)口也進(jìn)行了示意。

圖5 5 萬噸級散貨船上建門、窗和通風(fēng)口模型圖

表1 煙門、窗和通風(fēng)口分布

1.3 煙氣定義

煙氣濃度限值是仿真計算的重要衡量指標(biāo)。 柴油機(jī)排出的顆粒物（PM）大多小于3 μm，人呼吸時，被吸入肺部，會造成肺組織的傷害。 不同國家與地區(qū)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的PM2.5 指標(biāo)各不相同，參照北美地區(qū)的 24 小時 PM2.5標(biāo)準(zhǔn)［3］，對煙氣中 PM2.5限值取0.05 mg/m3，此限值為質(zhì)量濃度值?？紤]到PM2.5顆粒在煙氣中占比較小，為簡化仿真計算量，煙氣含量采用了體積分?jǐn)?shù)，限值則借鑒了質(zhì)量濃度值。

煙氣的組分及體積占比如表2 所示。

表2 煙氣組分及占比

5 萬噸級散貨船的柴油機(jī)、 鍋爐煙氣物性參數(shù)如表3 所示。

表3 煙氣物性參數(shù)

1.4 計算風(fēng)速和航速

1946 年WMO（世界氣象組織）推薦的風(fēng)力分級稱為第四蒲福（Beaufort）風(fēng)標(biāo)，其定義了海面以上10 m 處風(fēng)速，且取10 min 平均值。 第四蒲福風(fēng)標(biāo)的風(fēng)力等級及其對應(yīng)的風(fēng)速和海面征狀詳見表4［4］。為降低計算工作量，計算風(fēng)速取為蒲福2 級、蒲福4級和蒲福6 級，基本覆蓋常見風(fēng)速。 計算航速取為設(shè)計服務(wù)航速15 kn。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 船體空氣流場分布

船舶正向迎風(fēng)航行， 在無風(fēng)且不考慮煙氣的情況下， 通過仿真軟件模擬得到船體空氣流場速度矢量圖。 從圖6 可以看出，氣流經(jīng)過羅經(jīng)甲板后在煙囪與上層建筑之間形成一個小型旋渦， 然后在越過煙囪頂后在其背面形成非常明顯的旋渦流場。 模擬仿真計算得到的空氣流場分布與之前根據(jù)經(jīng)驗得到的負(fù)壓區(qū)及旋渦分布示意圖是基本吻合的， 這為下一步加入煙氣介質(zhì)進(jìn)行仿真計算打下了基礎(chǔ)。

圖6 船體空氣流場速度矢量圖

2.2 煙氣流場分布

不同煙囪高度差、不同風(fēng)級的流場分布的計算結(jié)果見表5， 其中在6 級強(qiáng)風(fēng)下， 船舶正向全速航行， 煙囪高度差為0.45 m 時的煙氣流場濃度分布，如圖7 所示。 圖7 中藍(lán)色區(qū)域為被超濃度限值的煙氣所覆蓋的區(qū)域，可以看到整個上層建筑基本上都已被覆蓋。

圖7 煙氣流場PM2.5 質(zhì)量濃度分布圖（6 級風(fēng)）

表5 不同煙囪高度差的流場分布示意

2.3 煙氣對上建開口的影響分析

以煙氣中PM2.5質(zhì)量濃度限值0.05 mg/m3作為衡量指標(biāo)，將質(zhì)量濃度超過該限值的煙氣分布區(qū)域標(biāo)記出來，同時考核位于此區(qū)域內(nèi)的上層建筑開口的數(shù)量。 不同煙囪高度差下，開口附近煙氣PM2.5質(zhì)量濃度超過0.05 mg/m3限值的門、 窗和通風(fēng)口數(shù)量如表6 所示。

表6 煙氣PM2.5 質(zhì)量濃度超限開口位置與數(shù)量匯總表

由上述仿真結(jié)果，可以得出：

1）2 級輕風(fēng)對高度差不敏感，幾乎可以不計；

2）4 級和風(fēng)隨著高度差的增加，上建開口受到的影響逐步減少；

3）6 級強(qiáng)風(fēng)隨著高度差的增加，上建開口受到的影響可以降低一點，但影響度還是很大；

4） 4 級和風(fēng)相當(dāng)于相對航速13 kn，是船舶常用航速， 在此種情況下上建開口隨著高度差的增加，受煙氣影響可以得到有效改善。

雖然煙囪頂與上建高度差4.45 m 時，上建開口受煙氣的影響較小，但煙囪頂高度還受雷達(dá)桅信號燈的布置影響，不能無限制升高。 對5 萬噸級散貨船而言，比較理想的煙囪頂與上建高度差是2.45 m。

3 結(jié) 語

采用CFD 仿真分析煙囪頂與上建高度差對煙氣流場分布的影響， 以5 萬噸級散貨船為模型標(biāo)本，通過變換高度差值，得到該區(qū)域煙氣流場的分布情況，并得出以下結(jié)論：在船舶常用航速下，上建開口隨著高度差的增加， 受煙氣的負(fù)面影響可以得到有效改善， 為今后評估與改善船員居住區(qū)域空氣質(zhì)量環(huán)境、優(yōu)化上層建筑布置提供了一種解決辦法。

由于煙氣流場除了受船舶航速、外界風(fēng)速影響外，其擴(kuò)散分布還受煙氣溫度、外界環(huán)境溫度、外界風(fēng)向的影響，這些可以作為今后的研究重點。