楊衛(wèi)國，劉 晗

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第八軍事代表室，上海 200011；2.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

船舶通風(fēng)系統(tǒng)的進(jìn)排風(fēng)效果對(duì)船上人員正常起居、船舶消防安全和機(jī)艙設(shè)備正常運(yùn)行具有重大的影響[1]。對(duì)于大型船舶，無論在系泊狀態(tài)還是在航行過程中，在外部氣流流經(jīng)時(shí)船舶附近會(huì)形成局部的高壓和低壓區(qū)域，影響通風(fēng)系統(tǒng)排放尾氣效果，特別是在外部風(fēng)向與排氣口的排氣流向相反時(shí)，可能存在尾氣由進(jìn)氣口倒灌的問題。目前，在國內(nèi)外船舶通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，進(jìn)排氣風(fēng)口的布置主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)安排，并未采用科學(xué)的預(yù)報(bào)分析方法，外部氣流場作用下的尾氣沿船體的氣流組織變化無法確定。通風(fēng)效果是在完成船舶建造并經(jīng)實(shí)船測量后才知道，很可能無法達(dá)到良好的排氣效果，甚至造成大量返工[2]。因此，有必要針對(duì)外部氣流場對(duì)船體通風(fēng)口的影響作用進(jìn)行分析，為通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

近年來國內(nèi)外研究開始利用計(jì)算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法模擬通風(fēng)系統(tǒng)預(yù)報(bào)。郭昂等[3]對(duì)某船機(jī)艙機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值分析，并提出機(jī)艙氣流改進(jìn)方案。張琪等[4]利用拉格朗日粒子示蹤方法對(duì)采用不同通風(fēng)設(shè)計(jì)方案的船舶貨艙中的氣體流動(dòng)進(jìn)行分析，確定通風(fēng)優(yōu)選方案。何卓宇等[5]對(duì)典型的船用結(jié)構(gòu)風(fēng)道局部阻力損失進(jìn)行建模計(jì)算，通過試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證CFD計(jì)算的準(zhǔn)確性。但針對(duì)不同工況條件下的通風(fēng)口排氣擴(kuò)散情況進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)和試驗(yàn)驗(yàn)證，并用于指導(dǎo)通風(fēng)口設(shè)計(jì)的研究卻很少。所進(jìn)行的研究主要針對(duì)外部氣流場對(duì)舷側(cè)通風(fēng)口尾氣擴(kuò)散的影響問題，運(yùn)用試驗(yàn)研究與CFD仿真模擬相結(jié)合的方法，對(duì)不同工況條件下通風(fēng)口煙氣的擴(kuò)散情況進(jìn)行分析，為船舶外部通風(fēng)口的布置方式提供參考。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為通過某風(fēng)道試驗(yàn)系統(tǒng)模擬舷側(cè)通風(fēng)口、含CO2的煙氣在外部氣流作用下的擴(kuò)散試驗(yàn)。該風(fēng)道試驗(yàn)系統(tǒng)簡化模型如圖1所示，由前至后分為風(fēng)機(jī)段、擴(kuò)壓段、整流段和測試段。風(fēng)道試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位如圖2所示。風(fēng)道測試管道前端安裝2臺(tái)大功率變頻高壓風(fēng)機(jī)，送風(fēng)量在0～88 000 m3/h內(nèi)可調(diào)節(jié)，擴(kuò)壓段和整流段主要用于穩(wěn)定來流，并加裝整流網(wǎng)和整流格柵等，使氣流均勻到達(dá)測試段。風(fēng)道測試段內(nèi)的空間代表船舷外的外部氣流場，測試段的一側(cè)壁面上開口，代表帶通風(fēng)口的船舷，測試段另一側(cè)壁面采用透明的有機(jī)玻璃制作，可觀察內(nèi)部煙霧軌跡等情況；模擬船舷的一側(cè)壁面采用可拆卸板的型式，在其表面開設(shè)尺寸為500 mm×300 mm的模擬通風(fēng)口(包括1個(gè)排風(fēng)口和3個(gè)進(jìn)風(fēng)口)。排風(fēng)口模擬系統(tǒng)配置1臺(tái)軸流鼓風(fēng)機(jī)，通過干冰煙霧發(fā)生器產(chǎn)生可視煙霧，對(duì)煙氣的流動(dòng)進(jìn)行示蹤，可判斷煙氣的擴(kuò)散程度和氣流作用下的煙氣與進(jìn)風(fēng)口的干涉性；進(jìn)風(fēng)口模擬系統(tǒng)配置1臺(tái)軸流抽風(fēng)機(jī)，并安裝CO2體積分?jǐn)?shù)檢測儀探頭。

圖1 風(fēng)道試驗(yàn)系統(tǒng)簡化模型示例

圖2 風(fēng)道試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部位

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 基本假設(shè)和計(jì)算模型

采用通用CFD軟件ANSYS Fluent對(duì)上述風(fēng)道煙氣擴(kuò)散試驗(yàn)進(jìn)行模擬。由于風(fēng)道氣流速度遠(yuǎn)低于0.3馬赫(102.1 m/s)，可設(shè)為黏性不可壓縮流動(dòng)，并假定風(fēng)道內(nèi)的溫度恒定，無熱量變化，因此數(shù)值計(jì)算基于不可壓縮流體的雷諾平均動(dòng)量方程和連續(xù)性方程。由于風(fēng)道內(nèi)的氣流可視為充分發(fā)展的湍流流動(dòng)，因此需要考慮渦旋，在求解雷諾平均動(dòng)量方程中需要引入雙方程湍流模型，參考文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]的計(jì)算方法，選擇Realizablek-ε湍流模型。在流場中不存在隨時(shí)間變化的邊界條件等因素，可選用定常流模型。

采用有限體積法進(jìn)行數(shù)值離散，控制方程的速度壓力修正采用SIMPLE Consistent算法，動(dòng)量項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)按二階迎風(fēng)格式離散。

2.2 計(jì)算域和邊界條件

根據(jù)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行適度簡化的計(jì)算域和邊界條件如圖3所示。計(jì)算域按整流段和測試段的幾何形狀建立，氣流入口面至測試段前端的距離為測試段特征尺度(寬度方向)的1.6倍，來流速度恒定，根據(jù)試驗(yàn)工況進(jìn)行調(diào)整；后方出口至模擬進(jìn)風(fēng)口的距離為測試段特征尺度(寬度方向)的3.0倍；模擬排風(fēng)口為煙氣流入界面，煙氣吸入速度恒定。設(shè)置風(fēng)道氣流入口、煙氣排風(fēng)口和進(jìn)風(fēng)口為速度入口邊界條件，風(fēng)道氣流出口設(shè)置為壓力出口邊界，其余壁面設(shè)為無滑移固壁邊界條件。

圖3 計(jì)算域和邊界條件

2.3 網(wǎng)格劃分

整個(gè)計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，考慮模擬通風(fēng)口和風(fēng)道壁面邊界層流動(dòng)的影響，對(duì)模擬通風(fēng)口周邊進(jìn)行網(wǎng)格加密并在壁面上鋪設(shè)邊界層，通過多次試計(jì)算確定滿足計(jì)算精度要求的網(wǎng)格。計(jì)算域網(wǎng)格劃分如圖4所示，計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)為1 080 000個(gè)。

圖4 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

3 外部氣流作用下的煙氣擴(kuò)散試驗(yàn)及其數(shù)值計(jì)算

3.1 試驗(yàn)與計(jì)算工況

試驗(yàn)首先研究外部來流速度對(duì)煙氣擴(kuò)散程度和CO2體積分?jǐn)?shù)變化的影響，繼而考察不同通風(fēng)口布局條件下的排風(fēng)口與進(jìn)風(fēng)口之間的氣流干涉性，并對(duì)各試驗(yàn)工況開展CFD計(jì)算，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

在外部來流速度對(duì)煙氣擴(kuò)散影響的試驗(yàn)中，排風(fēng)口排氣速度和進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)速度為3.0 m/s，大風(fēng)量軸流風(fēng)機(jī)的來流速度v分別為2.0 m/s、5.0 m/s和7.0 m/s。在風(fēng)口之間氣流干涉性試驗(yàn)中，排風(fēng)口排氣速度和進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)速度為2.7 m/s，來流速度v=5.0 m/s，對(duì)進(jìn)排風(fēng)口的相對(duì)位置設(shè)計(jì)3種組合形式，如圖5所示。在試驗(yàn)前，測量排風(fēng)口煙氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)為3 140×10-6。

圖5 進(jìn)排風(fēng)口組合形式與相對(duì)位置

3.2 外部氣流速度對(duì)排氣效果的影響

進(jìn)排風(fēng)口組合形式為a，在排風(fēng)口排氣速度和進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)速度為3.0 m/s的條件下，由觀察窗看到的3種來流速度下的排風(fēng)口煙氣擴(kuò)散情況如圖6所示。由圖6可知：煙氣由排風(fēng)口排出，貼壁向外擴(kuò)散；在v=2.0 m/s時(shí)，煙氣軌跡為占據(jù)整個(gè)風(fēng)道測試段橫向尺度的1/2～2/3；在v=5.0 m/s時(shí)，煙氣軌跡為占據(jù)整個(gè)風(fēng)道測試段橫向尺度的1/3～1/2；在v=7.0 m/s時(shí)，煙氣軌跡為占據(jù)風(fēng)道測試段橫向尺度的1/5～1/4。

圖6 不同來流速度下的排風(fēng)口煙氣擴(kuò)散情況

針對(duì)上述試驗(yàn)的CFD仿真計(jì)算，排風(fēng)口邊界條件設(shè)定CO2組分占比為0.003 14(對(duì)應(yīng)體積分?jǐn)?shù)為3 140×10-6)，計(jì)算結(jié)果由排風(fēng)口中間位置截取橫向切面分析CO2分布擴(kuò)散情況，不同來流速度下的排風(fēng)口CO2擴(kuò)散橫切面仿真云圖如圖7所示。由圖7可知：在相同工況條件下，模擬得到的CO2擴(kuò)散軌跡與對(duì)應(yīng)試驗(yàn)工況的CO2在風(fēng)道內(nèi)的擴(kuò)散軌跡相似。

圖7 不同來流速度下的排風(fēng)口CO2擴(kuò)散橫切面仿真云圖

在試驗(yàn)中對(duì)排風(fēng)口后方分別為0.75 m、1.25 m和2.50 m的不同位置x的CO2體積分?jǐn)?shù)分別進(jìn)行測量。不同來流速度下的各測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)如圖8所示。

圖8 不同來流速度下的各測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)

對(duì)測量結(jié)果取平均值，與CFD計(jì)算得到的相同位置的CO2體積分?jǐn)?shù)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。由表1可知：CFD計(jì)算精度隨測點(diǎn)至排風(fēng)口距離的增大(即CO2體積分?jǐn)?shù)減小)有所下降，誤差最大值為6.4%。文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[6]的有關(guān)煙氣擴(kuò)散數(shù)值模擬誤差水平為10.0%，證明所采用的數(shù)值計(jì)算模型與離散方法針對(duì)煙氣擴(kuò)散問題具有較高的可靠性。

表1 不同來流速度下的煙氣擴(kuò)散試驗(yàn)各測點(diǎn)CO2體積分?jǐn)?shù)

由排風(fēng)口后方不同位置x的CO2體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)值可知：在0 m≤x<0.75 m時(shí)，CO2體積分?jǐn)?shù)迅速下降，隨著風(fēng)速增大，下降幅度由38.2%擴(kuò)大至47.5%；在0.75 m≤x<1.25 m時(shí)，CO2體積分?jǐn)?shù)下降幅度為19.0%～22.6%；在1.25 m≤x<2.50 m時(shí)，CO2體積分?jǐn)?shù)下降趨勢減緩，下降幅度為6.9%～15.7%。隨著來流速度增大，不同測點(diǎn)的CO2體積分?jǐn)?shù)均隨之降低，結(jié)合圖5可知：x=2.50 m與試驗(yàn)中的進(jìn)風(fēng)口位置接近，在外部氣流作用下，該位置的煙氣殘余CO2體積分?jǐn)?shù)分別為排風(fēng)口的35.9%(v=2.0 m/s)、21.7%(v=5.0 m/s)和17.1%(v=7.0 m/s)。對(duì)不同位置的CO2下降幅度隨流速變化情況進(jìn)行分析，在0.75 m≤x<2.50 m時(shí)，CO2下降幅度與來流速度沒有正相關(guān)，這在試驗(yàn)結(jié)果與CFD結(jié)果中均有所反映。

3.3 通風(fēng)口布局對(duì)外部氣流作用下的排氣效果的影響

來流速度為5.0 m/s，在排風(fēng)口排氣速度和進(jìn)風(fēng)口進(jìn)風(fēng)速度為2.7 m/s的條件下，由觀察窗看到的3種組合形式下的排風(fēng)口煙氣擴(kuò)散情況如圖9所示。由圖9可知：通風(fēng)口組合形式a、b和c的煙氣擴(kuò)散軌跡約占整個(gè)風(fēng)道測試管道的1/5。

圖9 不同組合形式下的排風(fēng)口煙氣擴(kuò)散情況

對(duì)相同工況進(jìn)行CFD計(jì)算仿真，不同通風(fēng)口組合形式下的排風(fēng)口CO2擴(kuò)散橫切面仿真云圖如圖10所示。由圖10可知：計(jì)算得到的CO2擴(kuò)散軌跡與對(duì)應(yīng)試驗(yàn)工況的CO2在風(fēng)道內(nèi)的擴(kuò)散軌跡較為接近。

圖10 不同組合形式下的排風(fēng)口CO2擴(kuò)散橫切面仿真云圖

將所得試驗(yàn)結(jié)果與仿真模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。在試驗(yàn)中對(duì)3種組合形式下的進(jìn)風(fēng)口CO2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測量，測量結(jié)果如圖11所示。

圖11 不同組合形式下的進(jìn)風(fēng)口CO2體積分?jǐn)?shù)

對(duì)測量結(jié)果取平均值，與CFD計(jì)算得到的相同位置的CO2體積分?jǐn)?shù)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表2所示。由表2可知：通風(fēng)口組合形式a的誤差最大，為5.1%；組合形式a的進(jìn)風(fēng)口CO2體積分?jǐn)?shù)最大，組合形式c的進(jìn)風(fēng)口CO2體積分?jǐn)?shù)最小，兩者相差2倍以上。

表2 不同組合形式下的煙氣擴(kuò)散試驗(yàn)進(jìn)風(fēng)口CO2體積分?jǐn)?shù)

值得注意的是：基于上述結(jié)果無法斷定組合形式c對(duì)船舶排氣效果較為有利。試驗(yàn)針對(duì)的實(shí)際場景是外部風(fēng)向與船舶排氣口煙氣流向相反且風(fēng)速大于煙氣流速的情況。除進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口處于同一水平位置的工況外，由于進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口之間基本不會(huì)發(fā)生煙氣干涉，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)通風(fēng)口布局時(shí)，應(yīng)考慮船舶所在航線的環(huán)境特征，找出較常出現(xiàn)的風(fēng)向風(fēng)速工況，選擇合適的通風(fēng)口布局。

4 結(jié) 論

采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)和CFD計(jì)算分析船舶通風(fēng)口在外部氣流影響下的排氣效果，分析外部氣流速度和通風(fēng)口布局對(duì)排氣效果即排放的煙氣中的CO2分布的影響，具體結(jié)論如下：

(1)與以往研究對(duì)煙氣擴(kuò)散數(shù)值模擬的誤差相比，所得到的CO2體積分?jǐn)?shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值之間的誤差更小，仿真模擬的煙氣擴(kuò)散范圍和擴(kuò)散軌跡與試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)基本相同，證明所采用的數(shù)值計(jì)算模型與離散方法可較準(zhǔn)確地模擬排氣擴(kuò)散過程。

(2)在進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口風(fēng)速一定的情況下，來流速度的提高會(huì)增大煙氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)沿流向的衰減速率，并可增強(qiáng)貼壁作用，使煙氣軌跡變窄，削弱CO2橫向擴(kuò)散程度。

(3)由進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口之間不同位置的CO2體積分?jǐn)?shù)可知：在距排風(fēng)口0.75 m的范圍內(nèi)，CO2體積分?jǐn)?shù)迅速下降，下降幅度隨風(fēng)速增大而增大；在接近進(jìn)風(fēng)口的位置，煙氣中的殘余CO2體積分?jǐn)?shù)為排風(fēng)口的35.9%～17.1%，隨風(fēng)速增大而減小。

(4)針對(duì)不同的通風(fēng)口組合形式，在進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口風(fēng)速一定的情況下，在進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口處于同一水平位置時(shí)，進(jìn)風(fēng)口CO2體積分?jǐn)?shù)最大；在進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口處于上下豎直位置時(shí)，進(jìn)風(fēng)口CO2體積分?jǐn)?shù)最小。