基于CFD的闭式机舱通风系统三维数值模拟

蒋仕伟，徐筱欣

上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海200030

0 引 言

机舱通风系统的主要作用是：一方面满足所有设备燃烧所需的空气量，带走机舱设备散发出来的热量；另一方面为机舱工作人员提供适宜、安全的工作环境。同时，还要降低外界空气对机舱的污染，以及防止出现过高、有损于热敏感元件正常工作的温度［1］。常见的机舱通风系统是开式的，即用风机直接从外界吸入新鲜空气，然后通过布风口送到机舱内，以维持机舱内氧气量与热量的平衡［2］。随着科学技术及现代武器装备的发展，未来战争对舰船的作战能力提出了更为严格的要求。为了使舰船具有抗原子、生物和化学污染的能力，需要将传统的开式机舱通风系统改成闭式的。因机舱内主、辅机和锅炉燃烧所需要的氧气量很大，因此需要单独直接从外界进气和向外界排气。机舱内的热空气是与海水在海水空气冷却器中换热，冷却后再由布风口送到机舱内［3］，所以，闭式机舱通风系统的热量通过海水带出机舱外。

目前，在国内外船舶机舱通风方案设计中，通风量的确定以及进、排气风口的布置均根据经验而安排，并没有一个准确的方法，因此，机舱内具体的温度分布和气流组织无法确定，机舱通风效果也是在船舶建造完毕后进行现场测量才知道，以至于最终很可能会达不到良好的效果甚至造成大量的返工等严重后果，这都将大大增加船舶的建造周期和建造成本，影响船舶质量。如果能提前了解到机舱的通风效果，然后据此改进送风口的布置和风量的分配，以形成合理的气流组织，从而达到良好的通风目的，将具有重要的意义［4］。

随着计算机性能的提高，以及计算流体力学（CFD）的不断发展，数值模拟成为船舶工程领域一种强有力的研究手段与方法［5］，而将CFD 技术应用到机舱通风设计的却很少，而且针对的也都是常见的开式机舱通风系统。本文将主要采用商业CFD 软件FLUENT 对闭式机舱通风系统进行数值模拟［6］，以找出初步设计方案的问题并加以改进。

1 计算模型、网格划分及边界条件

1.1 计算模型及三维物理模型简介

数值计算基于不可压缩流体的Reynolds 平均动量方程和连续性方程［7］，即

式中：ui(i=1，2，3) 为时均速度；ρ 为密度；p 为压力；μ 为动力粘性系数；为Reynolds 应力。

由Boussinesq 假设，Reynolds 应力模型为：

式中：μt为涡粘系数；k 为湍动能；Cμ为常数；ε为湍流脉动耗散率。

使方程封闭，求出k 和ε 的方程：

式中：C1ε和C2ε为常数；σk，σε分别为湍动能及耗散的湍流Prandtl 数；Gk为由平均速度梯度引起的湍动能生成。

在标准k-ε 模型中，根据Launder 等的推荐值及其后的试验验证，模型常数的取值分别为：

采用有限体积法进行数值离散，速度压力修正采用压力纠偏法（SIMPLEC）算法，对流项按照二阶迎风格式处理，搭接区间的信息交换用双线性差值，矩阵求解器使用MILUCG-STAB［8］。迭代计算中，各返程的残余量不大于10-3。

根据机舱通风系统的初步设计方案，在中间两台主柴油发电机组及两侧辅柴油发电机组的后侧各布置一个70 cm × 70 cm 的送风口，对于2 甲板上的锅炉，也各自在其侧上面布置一个送风口，出风口则布置在机舱侧面，忽略机舱中管系及冷却器等小型设备对气流的影响，并将其散热简化为均匀分布在花钢板上的热流量。利用三维设计软件建立的机舱通风系统模型如图1 所示。

图1 机舱通风系统简化三维模型Fig.1 Simplified 3D model of cabin ventilation system

1.2 计算网格划分

采用非结构化网格对计算区域进行离散。考虑到机舱壁面和设备表面边界层的影响，对机舱壁面和设备表面进行了加密处理。参数设定和网格疏密程度经多次试验后得以确定，最终形成了较好的计算网格，如图2 所示。

图2 计算网格的划分Fig.2 Computational grid division

1.3 边界条件的设定

根据《柴油机船舶机舱通风设计条件和计算方法》（ISO 8861-1995）的要求，以及所选用的海水—空气冷却器，设定出口的排风温度为299 K，共设6 个布风口，4 个出风口，流速为10 m/s；外界大气温度设置为308 K（35 ℃），海水温度设置为293 K（20 ℃），室内温度设置为312 K（恶劣情况下）。2 台主机的散热量分别为200 kW，2 台辅机的散热量为100 kW，锅炉的散热量为15 kW。

2 计算结果分析及结构改进

机舱内平行船舯的平面，分别取y 为1 m 和4.16 m 处，即经过辅机纵剖面上的温度场分布如图3 所示，经过主机纵剖面上的流场分布如图4所示。

图3 辅机处剖面温度分布Fig.3 Temperature distribution at the cross-section of auxiliary engine

图4 主机处剖面流场分布Fig.4 Airflow distribution at the cross-section of engine

平行xy 平面，取z = 2.8 m，即花钢板上1.6 m的附近，可视为人员活动区域，其流场、温度场分布如图5 所示。

由上面的结果可看出存在以下问题：

1）中间2 台主机上方的送风口位置太低，以致送出的大部分气流被主机表面阻挡，速度衰减很快，主机上方几乎没有冷气到达，自然也就无法有效、大面积地与热源接触从而达到带走热量的目的。

图5 z=2.8 m 处温度分布Fig.5 Temperature distribution at z=2.8 m

2）在机舱后壁及主、辅机的后表面上，因为没有合理地设置排风口，致使此处的气体无法有效排出，形成了明显的气流漩涡，所以，此处的空气新鲜度较差，而且主机后端的气温偏高。

3）2 台主机中间的热流量很大。这是由于气流受阻以及流速的自然衰减，使得没有足够的冷气送到这里从而导致温度较高。虽然这里不是人经常活动的地方，但也会影响设备的正常运转，存在较大的安全隐患。在主机与辅机之间也存在同样的问题，只是没有主机间的那么明显。

4）在机舱前面，由于送风口距离此处太远，气体流动性很差且形成了漩涡，因而此处的空气质量最差，油气、污物等容易在此处聚集，气体温度很高，存在较大的安全隐患。所以，此处的气流组织必须加以改进。

5）从机舱整体的温度分布来看，平均温度为49 ℃，显然太高，且进风量也有些不足，应该增加海水—空气冷却器以产生更多的冷空气，从而将机舱温度降至合理温度。

针对初步设计方案存在的问题，应进行以下改进：

1）在机舱后壁增加两个排风口；

2）升高主机上面两个布风口的位置，使冷气能到达更远的地方；

3）增加海水—空气冷却器的台数，并在机舱前面增加3 个布风口，以有效带走主、辅机间的大量热量，同时配合主机后上方的布风口形成一个很好的气流组织，从而带走污浊的空气与热量，改善机舱环境；

4）将左舷前面的排风口和右舷后面的排风口改成布风口，使气流在水平面上形成一个大循环，从而有效带走机舱四周的热量及污浊空气。

改进后的三维模型如图6 所示。

图6 改进后的机舱通风系统简化三维模型Fig.6 Improved simplified 3D model of cabin ventilation system

改进后，对应的温度场和流场分布如图7～图9 所示。改进后的机舱通风系统主要是指前壁花钢板上的3 个送风口、1 个排风口，以及左、右舷上的送风口，该系统能很好地诱导空气经过主、辅机表面并从下面排出，从而形成一个合理的气流。该方案消除了原方案产生的多处、局部、较大的气流漩涡。改进后，在机舱后壁上增加的2 个排风口能大大减小最初方案中形成的气流漩涡，从而有效排出污浊空气。此外，将2 台主机后上方的布风口升高至合理的位置也增加了冷气对主机的覆盖范围，从而大大增加了对主机散热的吸收量。

图7 改进后的辅机处剖面温度分布Fig.7 Temperature distribution at the cross-section of the improved auxiliary engines

从表1 以及图10、图11 中考察位置沿y 轴和x 轴的温度变化情况可以看出，机舱的整体温度以及局部温度均有明显下降，气流速度有明显增加，气流组织与通风效果大大改善。根据《柴油机船舶机舱通风设计条件和计算方法》（ISO 8861-1995）中的经验公式，要想让机舱内的温度达到适合的温度，初步估算机舱内最低的通风量为Q = 31.78 m3/s，从而可以算出布风口的个数N = 6.3。这说明如果初步方案设计的通风量不足，必将导致机舱温度偏高，而数值计算的结果也显示出机舱的平均温度约为47℃（一般不应超过45℃）。由图10、图11 及表1 还可看出，由于增加了进入机舱的进风量（海水—空气冷却器的数量，或者功率也要相应增加），同时改善了机舱通风系统的气流组织，因而有效降低了机舱的整体温度，使得机舱内的整体环境大大改善。

表1 改进前后对比Tab.1 Comparison of ventilation effectiveness before and after improvement

图10 y 方向温度变化Fig.10 Temperature variation in the y direction

图11 x 方向温度变化Fig.11 Temperature variation in the x direction

3 结 论

由以上分析可得出以下结论：

1）合理的进风量与气流组织是影响机舱通风效果的决定因素。布风口和排风口的位置对气流组织以及通风效果具有重要影响，在实际的系统设计过程中，应充分考虑送风角度及送、排风高度对机舱通风效果的影响，尽量减少气流漩涡，避免气流聚集，增大气体流动范围。在温度较高的局部，有针对性地增加布风口效果较好。

2）采用CFD 软件ANSYS FLUENT 对闭式机舱通风系统进行数值仿真，并在此基础上对系统加以改进是可行的，在模型的离散程度足够高的情况下，可以得到比较可靠的结果，这对通风系统的方案设计具有指导意义。

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