船舶机舱通风数值模拟分析

江 宇，宋福元，李彦军，吴国光

(哈尔滨工程大学 动力与能源工程学院，黑龙江 哈尔滨150001)

0 引 言

船舶机舱是船舶的动力枢纽部位，机舱内发热设备多，空间狭窄，合理的气流组织设计一方面能排除舱内废热，防止局部热量、油雾及有害气体聚集，为设备及工作人员提供良好的工作环境;另一方面也能有效地节省通风资源，降低通风能耗。

现代船舶机舱通风大部分采用机械送、抽风与自然排风相结合的方式。本文模拟船舶以汽轮机为主动力驱动，汽轮机与燃油锅炉均放置在同一舱室，整体机舱空间较大，因此采用机械送、抽风及自然排风共同作用以达到良好的通风效果。通过设置隔屏并调整机械抽风口位置来改变舱内的气流组织形式，有效地解决了舱内气流漩涡。

1 机舱物理模型

机舱内设备及管线众多，结构复杂，建立模型时必须进行简化来使模型适合数值模拟计算。模型简化的基本原则是:对空间气流流场产生作用较小且温度影响不大的设备管线进行移除;对结构形状复杂，简化后对模拟结果影响较小的设备规则化;对厚度边界做无厚度壁面处理;忽略风管，在风口段用立方体代替，底面为风口;排、抽风围阱对流场影响小，以风口面代替等。该船舶机舱模型空间大小为:长21 m，宽13 m，高10 m，主要设备有汽轮机、锅炉、涡轮增压机组、高温除氧器、等离子过滤器、部分烟气管道等。该舱底层为铺板层，沿高度方向分别为第1、2 格栅层，顶部为甲板层，风口均布置在第1、2 格栅层下方，为防止送风直吹发热表面，造成较大热应力，风口均采用矩形风口，风向垂直向下，尺寸大小为0.4 m×0.2 m 的风口55 个，尺寸0.4 m ×0.28 m 风口4 个(侧45°方向增加局部绕流)。机舱简化后几何模型如图1所示。

图1 机舱几何模型Fig.1 Geometrical model of ship engine room

2 流体数学模型及边界条件

2.1 流体数学模型

CFD 技术经过长时间的发展，在计算流体流动传热传质方面已经非常成熟，本文通过CFD 软件Fluent 模拟机舱内气流组织分布。机舱内通风为湍流对流换热问题，本文选用k－ε 模型，为获得较好的模拟结果，提高模拟效率，对模拟进行如下假设和简化:

1)机舱内流体为不可压流体，密度符合Boussinesq 假设;

2)舱内流体流动及传热视为稳态过程;

3)各壁面的辐射传热不计;

4)舱内气密性良好，无空气泄漏。通过简化和假设后，建立连续性方程、动量方程、能量方程及k、ε 方程进行计算求解，其通用形式如下［1－2］:

式中:Ф 为通用变量，代表u，v，w 和T 等求解变量;ΓΦ为广义扩散系数;SΦ为广义源项。

2.2 边界条件设置

利用Gambit 进行几何建模及划分网格，因机舱内结构复杂，模型网格采用非结构化网格，对风口及重要发热面进行局部加密，网格数量为88 万。

舱内通风是采用典型的置换通风与自然通风相结合的形式，边界条件设置如下:

1)送、回风口边界条件:送风及机械抽风口为速度入口边界，送风方向与出风口面垂直。

2)自然排风口边界条件:通风时保证舱内正压，因此自然排风口采用压力出口边界。

3)固体壁面边界条件:舱内发热固体壁面采用定热流密度，壁面厚度为0。

3 设计方案及模拟结果分析

3.1 设计方案

机舱内送风口位置相对固定，采用下送上回的通风方式，回风进入抽风围阱后通过管道与各风机相通。本文设计锅炉燃烧空气量占总送风量50%左右，从舱内吸入会造成内部各区域气流压力梯度过大，因此采用独立系统从外界抽进燃烧空气。根据《ISO8861－1998 造船－柴油机船舶机舱通风设计要求和计算基准》进行热负荷及通风量估算，得该通风系统排除舱内余热所需风量为160 000 m3/h，舱内设计温度54 ℃，送风温度39 ℃，风机开度100%时，送风口的设置送风速度为9.4 m/s，考虑到送风量对气流组织及舱内温度的影响，设定送风开度来进行分析，分别为100%，85%，70%。

机舱环境的优化可通过改变送、抽风口位置形状、面积及送风量等来实现［3］。为获得最佳气流组织形式，该舱通过增大抽风围阱及隔屏来增加舱内空气扰流，防止大漩涡及通风死角。理论上，机械抽风口分布越多、抽风围阱尺寸越大会有效改善舱内气流组织，但是机舱内空间狭小，因风口而增加的风管会减少舱内可用空间;且过多地增加隔屏会给工作人员管理维护带来不便，经过分析给定4 种调整方案来进行研究，见表1。

表1 4 种通风方案Tab．1 Four ventilation plans

3.2 模拟结果分析

3.2.1 气流组织分析

计算收敛后，选取典型截面进行分析。由图1可以看出，两锅炉间至主机右侧面区域散热面积最大，流场也最复杂，因此截取y=－0.5 m 面进行气流组织分析，y=－0.5 m 截面如图2所示。

图3 为4 种方案在y=－0.5 m 截面的速度矢量图。可以看出，图3(a)在主机右侧有大漩涡产生，该漩涡在y 方向速度很小，是死漩涡，该处气流是锅炉与主机右侧面气流汇集地，而且中心处于2 层格栅面，为人员工作区域，如不排除，可燃油雾及有害气体将在此聚集。图3(b)为方案2 在y=－0.5 m截面的速度矢量图，与图3(a)比较，增加抽风口后，截面的流场没有根本改变，也未消除此漩涡。

在假定机舱送风口位置固定情况下，要消除漩涡和通风死角，一般采用下列方法:一是设置障碍物。障碍物对室内气流组织有显著影响［4］;二是布置空气射流通风系统［5］。由于气流至底层后从下至上流动，障碍物迎风面不存在滞留区，同时考虑经济成本问题，对主机右侧安装隔屏作为障碍物来消除此漩涡，隔屏位置如图2所示。

隔屏宽4 m，高4.5 m，隔屏宽度与主机右侧面宽度相同，底部立于1 层格栅之上，高度超过2 层格栅，此高度恰是漩涡上部回旋区顶部，气流会在此高度与障碍物碰撞。如此布置会导致隔屏背风面风速较低，但较之漩涡此处气流组织有很大改善。

从图3(c)、图3(d)为加隔屏后y=－0.5 m 截面的速度矢量图。可以看出，中间大漩涡得以消除。图3(c)气流在经隔屏上升后，受左侧气流挤压部分绕过隔屏至隔屏右侧，因右侧送风口较密集，造成右侧锅炉上部出现相对低压，气流绕过隔屏后大量向中部回流，在机舱通风设计中，要尽量避免上部气流回流，否则会使舱内热量和有害气体无法排除，因此在通风设计中，要分析气流组织来确定排风口及机械抽风口位置，从而减少空气在舱内逗留时间。图3(d)为设计方案4 在y=－0.5 m 截面的速度矢量图，布置双抽风口后，锅炉上部区域回流气流明显减少，一方面有利于舱内热量排出，另一方面使锅炉上部气流组织分布更加合理。

图4 y=－0.5 m 截面速度等值线图Fig.4 The isoline of velocity field at y=－0.5 m

方案4 在分析截面y=－0.5 m 的速度等值线图如图4所示，舱内下部比上部平均气流速度大，送风垂直向下送至底部，依靠热浮升力和风压上升排出，模拟结果显示在送风速度9.4 m/s情况下，舱内平均速度为0.85 m/s，铺板层上0.5 m 高度平面平均速度为1.2 m/s，自然排风竖井面风速2.5 m/s。

综上所述，方案4 能消除气流死漩涡，使舱内速度场更加均匀合理，因此确定方案4 为最佳气流组织形式。

3.2.2 温度场分析

本文以加隔屏双抽风口的方案4 为研究对象进行温度场分析。机舱内环境特殊，舱内温度控制主要是为工作人员从事管理维护工作提供环境保障，另一方面防止部分区域温度超过设计规定造成对设备的不利影响。

1)工作区域内温度场分析

取z=－3.5 m 和z=－0.5 m 面，分别为铺板层及1 层格栅上1.5 m 平面，此2 个面作为人员工作区域高度面，温度分布如图5 和图6所示。

由图5 和图6 可以看出温度分布比较合理。图5 中锅炉侧的温度较其他区域温度偏高，此区域空间狭窄，发热面大是温度偏高的原因。图6 中截面设备较少，在隔屏与主机间空气流量大，温度较之主机其他发热面低。主机侧面、主机与锅炉间为工作人员管理维护重点区域，其中铺板层和1 层格栅层是主要活动面，通过计算，z=－3.5 m 和z=－0.5 m 面的平均温度分别为321.3 K 和323.7 K，该区域温度普遍低于平均温度，在机舱环境下是理想的工作区域。

2)高度方向(z 方向)上温度分布规律

在高度方向每隔1 m 截取一个平面，获取其平均温度，在高度方向上平均温度变化如图7所示。由图7 可知，空气经送风口送至舱室底部，在上升过程中与周围环境进行换热，随着高度增加，气流温度不断升高，至7 m 左右时，温度曲线变化较其他部分平缓，此时到达舱内通风中和面，这也是一个热分隔层，在该面热量达到最大，进入该区域的余热量占整个机舱余热量的30%，舱内浮升气流量与送风量达到平衡［6］。

3)风机开度对舱内平均温度的影响

图7 同时反映了风机开度与舱内温度的联系。3 种风机开度的送风温度相同，因此舱底层面3 种开度的平均温度相差不大，随着高度增加，当风机开度降低，排除余热所需的风量减少，热量上升，温度升高，温差逐渐增大，当风机开度为85%时，最高温度面平均温度329.2 K，在舱室顶部位置，其他温度均低于设计温度327.5 K，顶部区域设备及人员活动较少，相对其他部位对温度要求要低，在船舶动力负载较低时可以采用85%风机开度运行，此时的送风量能满足机舱通风需求。风机开度70%时，舱内温度普遍偏高，非特殊情况不宜采用。风机开度在100%时计算得舱内平均温度为323.7 K，85% 和70%时的舱内平均温度分别为325.2 K 和327.2 K，风机开度降低，舱内平均温度将升高。

图7 z 方向平均温度曲线图Fig.7 The graghs of average temperature at coordinate z

4 结 语

模拟结果表明，利用CFD 技术对机舱气流组织进行模拟分析是一种高效简洁的方法，获得的结果是可信的。通过模拟分析可知:

1)合理的布置机械抽风口能有效改进舱内流场，在舱内增加隔屏作为障碍物并非完全是负面影响，在不影响舱内设备运行和人员工作情况下，增加隔屏能有效改变舱内气流组织。

2)自上而下的通风方式能使各工作面温度得到较好的控制，人员活动区域温度符合设计要求。

3)风机开度直接影响舱内温度，通过改变风机开度能节省通风资源。

机舱内环境的优化有很多方式，可通过改变风口数量、大小、形式、位置等，这些还需要进一步的研究和补充。

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