引入射流通风系统的船舶机舱CFD 数值模拟

谷家扬，谢达阳，王丽元，范骏威

(1.江苏科技大学 海洋装备研究院,江苏 镇江 212003；2.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院,江苏 镇江 212003；3.中国船舶及海洋工程研究院 上海 200011)

0 引言

船舶机舱通风系统主要目的是建立一个合适的机舱环境，能提供充足的空气使设备正常工作，并将机舱设备散发的热量及时排出机舱[1]。

在早期，设计人员无法准确得知机舱内的具体情况，而计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD ）方法能通过建立模型并进行数值模拟。最终通过图片将机舱内速度温度分布等情况准确表达[2]，找到通风系统当前阶段的不合理处，这些可为后续的通风系统优化修正提供方向和对应方法。

周山、段树林采用 Fluent 软件研究了某滚装客船，搭建了三维计算模型，进而优化了通风口的位置和角度。梁彦超、徐筱欣采用 CFD 技术对某集装箱船的风口进行了流场模拟和优化，提出风口的优化方案。蒋仕伟、马捷采用 Fluent 软件对对机舱内闭式通风系统的气体组织，温度分布进行了数值仿真分析，得出机舱的通风效果和舱内风口布置及气流组织有关。赵宇晶悦[3]分析了船舶柴油机进排气系统的设计原则与方法，对进排气系统的典型结构进行设计和优化。

上述几个案例都是通过 CFD 的方法，对机舱进行研究。对比数值模拟结果和实船测量值，相比于实船测量值虽有误差，但在工程允许范围之内，所以可使用建模、数值模拟的 CFD 方法来进行机舱通风系统的研究优化。本文在常规通风的基础上，加入射流喷嘴送风，采用 CFD 仿真方法，分析机舱在仅有常规通风时的速度场温度场分布，与加入射流喷嘴送风后的机舱情况进行对比。观察能否解决局部高温等机舱内的气流问题，最终使机舱达到设计要求标准。

1 数学模型

1.1 机舱几何计算模型

研究对象为某船舶机舱，计算区域为整个机舱区域。机舱分为上下2 层区域，其整体外形尺寸约为17.5 m×16.8 m×6.5 m，下层高2.6 m，上层高度为3.8 m，中间通过甲板隔开。空气通过矩形风管进入舱内，最后经过尾部的排气风机排到外界。由于机舱在推进电机上方有大开口，所以上下层的空气可自由混合。机舱的主要热源为推进电机、柴油发电机组、齿轮箱及推进电机的排气管道。

图1 机舱几何计算模型Fig.1 Geometric calculation model of engine room

1.2 边界条件

主要研究船舶机舱的温度场与速度场，根据设计标准，以外界环境温度35℃为基本条件。

对于热源散热量，推进电机给定133 kW，柴油发电机组给定98 kW，齿轮箱给定5 kW，排气管道简化为恒温60℃，机舱壁面设置为绝热的固体壁面。机舱尾部设置2 个排风机，流量为115200 m3/h，静压为1070 Pa。

边界条件如表1 所示。

表1 边界条件Tab.1 Boundary conditions

1.3 计算网格划分

在CFD 分析过程中，网格的质量至关重要，对于船舶机舱这种复杂的集合模型更是如此。机舱网格的生成非常耗时且容易出错，网格太大难以得到准确结果，无法计算下去。而网格太小则非常考验计算机的性能，并且耗时巨大，所以须根据模型要求及计算机的条件，确定如何合理划分出适合模型的网格。

本文采用切割体网格，计算速度快且最终收敛性好，能极大减少网格划分消耗的时间。考虑到机舱尺寸和射流喷嘴尺寸的相差很大，约为400 倍量级，网格太粗的话射流管道及喷嘴模拟不到，所以采用了局部网格加密技术。在热源、射流管道及喷嘴附近的网格加密，而机舱其他位置的网格相对较大，这样能在不降低机舱整体网格质量的前提下，最大化缩短计算时间成本。

机舱计算网格划分如图2 所示。

图2 机舱计算网格划分Fig.2 Partition of engine room computing grid

1.4 评价指标

评价数值模拟出的机舱环境是否满足要求，最主要的一点是设计出来的通风系统能否满足机舱内设备散热的要求，即要保证机舱在正常航行时，整体的平均温度不能超过45℃[5]，同时不能出现通风死角、局部高温等情况。

三是大力发展民生水利，着力提高水利公共服务能力。完成17处大型灌区和9处中型灌区年度节水改造任务，实施好6个规模化节水灌溉增效示范项目建设，建设节水灌溉面积510万亩（34万hm2）、“旱能浇、涝能排”高标准农田385万亩（25.67万hm2）。解决360万人饮水安全问题，推进沿黄地区饮水安全平原水库建设，建立县级水质检测中心和供水服务“116”热线。

在如图3 深色所示的位置处建立监控区域，监控整个机舱及热源附近这些区域的温度，且以云图的形式给出几个关键截面的温度场速度场分布。

图3 热源温度监控区域Fig.3 Partition of engine room computing grid Fig.3 Heat source temperature monitoring area

2 计算结果分析及优化

2.1 机舱仿真计算结果

选取几个典型截面显示仿真计算后的速度场温度场变化，机舱内平行船中的截面取y为0 m 和1.5 m处，即经过推进电机、柴油发电机组、齿轮箱的纵剖面，以及经过排风机的纵剖面，截面上的速度场温度场分布如图4 所示。

图4 y 截面速度温度分布Fig.4 Velocity and temperature distribution in y section

垂直船中能够的截面取z为4 m 和7.4 m 处，即花钢板上1.6 m 附近的下层甲板人员活动区域，以及上层区域经过排风机的横剖面，截面上的速度场温度场分布如图5 所示。

图5 z 截面速度温度分布Fig.5 Velocity and temperature distribution in z section

对机舱上下层及主要热源区域进行了温度监控，仿真结果如表2 所示。

表2 仿真结果Tab.2 Simulation result

由仿真结果及速度温度分布图可看出存在以下问题：

1）在柴油发电机组的上方，因为没有设置合适的排风口，导致此处形成通风死角，散发的热量无法及时排出，形成明显的局部高温，所以此处气温偏高。

2）空气由送风机吸入后通过矩形风管进入舱内，但机舱首部布置的出风口太少，导致首部两侧的气体流动性很差，因而此处气体温度很高，形成局部高温。

3）机舱整体的平均温度为43.54℃，但是上层区域温度达到47.52℃，温度太高，不满足评价指标。其中有部分原因是排风机无法及时将热空气排出，所以应该增加上层区域风机的排风量，从而使机舱温度可下降至标准温度范围。

2.2 射流通风技术

该船舶机舱通过矩形管道和排风机进行送排风，机舱内的温度均匀性很差。所以为了改善通风效果，减少机舱内出现局部高温[6]，在常规通风的基础上，加入了射流通风装置[7]。

空气射流通风技术是一种全新高效的通风技术[8]。在机舱的通风区域按照一定的排列规律设置射流喷嘴，利用喷嘴喷出的气流，带动周围已经静止的空气，使机舱空气不再局限于固定区域而形成通风死角，可随着射流方向开始进行流动，最终达到通风散热以及均匀流场的目的[9]。

针对仿真后的一些问题，对机舱进行如下改进：1）在柴油发电机组上方设置射流管道，使其吹向排风口；2）在机舱首部及中部两侧设置吹向船中的射流管道，避免局部高温；3）加大排气风机风量至130000 m3/h。

改进后的三维模型如图6 所示。

图6 改进后的机舱几何计算模型Fig.6 Improved engine room geometry calculation model

改进后的温度场分布如图7 所示，机舱通风系统主要增加了柴油发电机组及机舱首部的射流管道。该系统能诱导空气经过柴油发电机组表面并排出，且由于加大了排风机风量，热空气能及时排出。

图7 改进后截面温度分布Fig.7 Improved temperature distribution of section

与改进前的温度场对比后可看出，机舱的整体温度有明显下降，并且许多高温区域消失。这是因为射流喷嘴推动气流带着热量及时通过排风机排出，从而有效降低机舱各区域的温度。

机舱在加入射流喷嘴送风之后，与之前的平均温度对比如表3 所示。由于射流的温度与机舱内温度并不相同，所以相互混合后，有助于带动舱内空气流动、减少通风死角[10]，这在柴油发电机组及推进电机区域比较明显。柴油发电机组附近平均温度降低约5.2℃，推进电机附近降低约4.5℃，机舱平均温度总的降低3.3℃左右，所以可得出射流喷嘴送风有效改善了机舱整体的通风效果。

表3 有无射流区域平均温度Tab.3 Average temperature of region with or without efflux

3 结语

本文用 CFD 的方法对某机舱的速度场温度场进行了数值仿真研究。模拟出机舱环境，得到机舱具体的温度场和速度场云图，并加入射流喷嘴送风，得到如下结论：

1）通过 CFD 软件 STAR-CCM+建立机舱整体模型并数值仿真，然后加入射流喷嘴送风对机舱通风系统进行优化。在模型准确度足够的情况下，可得到比较可靠的结果。

2）机舱在加入射流喷嘴送风之后，能改善局部的通风死角，降低机舱整体的平均温度。柴油发电机组附近平均温度能降低5℃左右，并减少许多机舱局部高温情况；

3）与传统矩形风管和排风机进行送排风的方式相比较，加入射流技术的通风方式能形成较好的气流推动作用，具有良好的实船应用前景。