机舱通风效果模拟及应用

刘长建，张译元

（上海振华重工（集团）股份有限公司，上海 200125）

0 引言

对于船舶而言，主发电机舱是其核心舱室，具有系统管路繁杂、电缆多、布置空间相对紧凑和发热负荷大等特点，一旦舱室内的环境温度超过发电机额定正常工作温度，会引起发电机降效。根据这些特点，机舱主要采用机械通风强制对流换热的通风方式。为在考虑主发电机舱通风效果和主发电机的原动机燃烧所需风量的基础上，确定合适的送风参数，尽量减少通风量，减小风管的尺寸，节省舱内的空间，需对通风系统的应用效果进行模拟分析。

机舱通风方式通常根据理论计算结果和设计人员的经验确定。理论计算的方法应用较多，但受设备布置和空间要求等各种因素的影响，所得结果无法全面直观地显示。最真实有效的方法是直接根据具体项目对测量结果进行试验验证，但这样会受诸多因素的制约，比如需有较多项目可试验，有足够的设计人员、充足的时间和较为丰富的测量工具等。相比之下，计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法能克服这些缺点，通过数值模拟形象地再现流动的细节，如各水平面或竖直面的温度场、速度矢量及其随时间的变化情况等。

1 基本流场理论

流体流动遵循的物理规律是建立流体力学控制方程的依据[1-2]，主要包括质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，这是数值计算的理论基础。

1) 质量守恒方程通常又称连续性方程。质量守恒定律可表述为：单位时间内流体微元中质量的增加等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。由此可推导出质量守恒方程为

式(1)和式(2)中：u、v、w为质点的速度a的分量，u=ax，v=ay，w=az。

2) 动量守恒定律又称动量方程、运动方程或Navier-Stokes方程。动量守恒定律实际上就是牛顿第二定律，可表述为：微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。

式(3)中：p为静态压力，Pa；为应力张量；ρg为重力体积力，N；F为其他来源方面可能出现的抗性和来源，称为广义源项；υ为已知方向上的流动速度矢量。

3) 能量的产生和消失都不是凭空的，能量形式既能相互转化，又能在2个物体间相互转移，但总量保持不变。因此，对于气体而言，在流动中存在冷热空气热交换过程就必然遵守能量守恒定律。

以比焓h和温度T为变量的能量守恒方程为

式(4)中：k为导热系数，W/(m·K)；kt为湍流附加的导热系数，为湍流普朗克常数，0.85，W/(m·K)；t为温度，K；Sh为气体的内热源。

对于理想气体，比焓h可用温度T的方程来表示，即

式(5)中：pc为等压热容。

气体的内热源Sh可用通用变量φ和广义源项ST表示，即

能量守恒方程可简化为

2 机舱的CFD模型

建立舱室模型是为了对机舱气流组织（包括温度场和速度场等）进行计算、校核和检验[3]，计算区域为整个机舱区域。模型的准确性直接影响模拟结果的准确性。在建模过程中，应尽量贴近实船情况，但需对舱室设备作适当简化。

本文以上海振华重工（集团）股份有限公司在建碎石铺设整平船项目中采用的主机机舱为例进行模拟分析[4]，该舱室为长方体结构，位于主船体内，上部为日晒甲板。机舱内设置3台主柴油发电机组，额定功率为900kW，其中任意2台发电机组可并车运行，另外1台备用；同时，设置1台辅柴油发电机组，额定功率为200kW，满足停泊工况下发电负荷的需要。

该机舱的通风方案设计为：采用侧送上排的气流组织形式，机舱两端选择2台机械送风机，风量为31200m3/h，静压为410Pa，有2路送风支管连接到花钢板下方，每台送风机连接的送风管路配置8个风口，位于机舱中间部位，排风形式为自然排风。对该机舱通风方案进行数值模拟仿真，采用Fluent[5]的前处理软件Gambit进行数理建模，建模时忽略其他设备等次要因素，主要考虑柴油发电机组、主发电机排烟管、涡轮增压器、进排气风管和风箱对通风造成的影响。

此次模拟采用六面体网格进行初算，并不断进行细化，得到的机舱模型见图1。

图1 机舱模型

3 模拟结果

该碎石铺设整平船是深中通道项目的配套项目，其建造规格书规定：作业区域要求为近海海区拖带，沿海海区作业；航区要求为沿海航区作业，近海航区拖航。同时，根据室外设计工况的要求，所选温度为大气设计温度-20～45℃。另外，根据任意2台发电机组可并车运行的要求，分2种仿真工况，即：选择2台主发电机的辐射热作为初始条件；选择风机在进风箱入口处的送风速度4.5m/s作为边界条件。在绝热环境下对机舱内部流场和柴油发电机组的辐射热进行耦合分析。

3.1 通风方案的温度场分析

由于动车主发电机的位置不同，热源的位置有所不同，选择两种方案进行模拟，根据该船的航区，经查近海海域的常规设计工况和规格书的设计工况，选择比较恶劣的设计工况作为模拟的具体参数，即45℃，70%相对湿度。同时，在模型中分别选取建模高度Y=1.5m和Y=2.0m的切片，核查不同高度的温度场。

1) 方案一，选择两边2台主发电机并车时进行模拟，得出1.5m和2.0m高度的温度场，结果见图2和图3。

图2 Y=1.5m温度场分布

图3 Y=2.0m温度场分布

2) 方案二，选择中间和两边任意一台主发电机并车进行模拟，得出1.5m和2.0m高度的温度场，结果见图4和图5。

图4 Y=1.5m温度场分布

图5 Y=2.0m温度场分布

由图2～图5可知，机舱内的温度基本上都在45～55℃，除了发热设备本体以外，室内温度均满足设计要求，通过1.5m高度的图2与2.0m高度的图3和图5对比可以看出，温度的变化趋势是从下向上逐渐增加，在主发电机本体周围区域温度明显增加，究其原因，主要是主发电机和增压器等设备本身的发热量造成的，因此温度升高属于正常现象。同时，从图2和图4可见，距离设备很近的位置温度就迅速下降，说明通风的效果很显著，下部仅布置2个风口也是合理的，下部的温度变化较小，这是因为下部没有较大的热源存在。进一步分析，侧送上排的气流组织形式满足2种主机工作工况的要求，在室外温度为45℃的工况下，舱室温度都在50℃左右，温升在5K左右，适于工作人员内部操作。

3.2 通风方案的速度矢量分析

不论是两边2台主机并车，还是中间1台与两边任意1台并车，机舱的通风设计都是不变的，因此其速度矢量模型仅做1种分析，结果见图6和图7。

图6 Y=1.5m平面速度矢量分布

图7 Y=2.0m平面速度矢量分布

从图6和图7中可看出，下部的风速较小，上部（与风口水平位置处）的风速较大，这与通风系统风口的布置有关，因为管路采用的是侧送上排的方式，风口主要在上部，新鲜空气在重力的作用下自然下降，从而带走舱室内部的热量，这也符合房间内的热源分布。房间内的热源主要是主发电机和增压器等，符合热空气向上的原理，因此热空气在向上运动过程中直接通过排风排到室外，从而使房间内的温度下降，并控制在设计范围之内，这说明该通风方案满足通风设计的要求。

4 结 语

1) 应用CFD软件建立了主发电机舱及内部主要设备的网格模型，利用CFD软件有效模拟了侧送上排工况下机舱内部的速度场和温度场。

2) 在侧送上排的气流组织系统中，通过模拟可知：舱室下部温度较低，这与舱室下部热源较少有关；舱室上部温度较高。但是，通过对速度场进行模拟分析可知，上部排风处风速较高有利于上部热空气排出，进一步说明了在类似船舶模型中，减少风管下部送风支管数量也能满足设计需要。

3) 通过此次模拟，提前得到了房间内的温度场和速度矢量云图，验证了该舱室的通风方案基本上能达到设计目标，满足机舱通风的要求，说明该通风方案是有效可行的。