船舶机舱机械通风数值模拟分析和优化设计

郭昂，郭卫杰，王驰明，封海宝

1 中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082

2 厦门船舶重工股份有限公司，福建厦门 361000

0 引 言

某海监船系泊试验过程中在进行机舱机械通风效用试验时，发现存在机舱内部气流分布不均、风速梯度变化较大、某些船员活动区域和操作区域温度偏高、局部区域油气味道太重且有气流漩涡产生等问题，从而影响到船员工作的舒适性和安全性，且不利于机舱设备换热。因此，有必要针对该船机舱机械通风系统进行数值模拟分析，以找出解决方案，从而为其它船舶机舱机械通风系统设计提供参考价值。本文基于CFD技术对船舶机舱机械通风系统进行分析，该技术是目前最节约、最有效的方法之一［1］。

1 船舶机舱机械通风系统的物理模型

以某海监船为研究对象，采用Pro/E来建立其机舱及舱内设备的三维模型。该海监船机舱参数如下：机舱长13 m，宽10 m，最高处5.1 m，且机电设备较多、管线复杂，因此，必须对机舱进行简化，以使所建物理模型能够适合数值模拟计算。

首先，根据船舶机舱段型线图建立机舱外板物理模型，其中对机舱热环境影响较小的油泵、水泵、油水管路及附件、配电板和控制器等机电设备可忽略不计。随后，应对对舱内气流流场和热环境影响较大的设备物理模型进行建模：2台主机及其排烟管、3台发电机、燃油锅炉、双热源洗涤装置、空气瓶和岸电稳压装置、鼓风机和进气围井等。物理建模过程中，这些影响较大设备的外形尺寸应与实际尺寸相同，进排气围井可用立方体代替，并对边界做无厚度壁面处理。船舶机舱简化后的几何模型如图1所示。

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

2 计算模型及边界条件

2.1 计算模型建立

本文采用FLUENT软件对机舱气相组织分布进行模拟分析，通风则选用k-ε湍流模型进行数值模拟。为提高模拟效率，以获得较好的模拟效果，进行如下理想化处理［2］：

1）流体为不可压缩的稳态流动过程；

2）除了机舱进排风和主机排气外，舱内应密闭良好，没有其他位置的漏气现象；

3）该机舱使用“A-60”级绝缘材料包覆，并对其壁面和上甲板作绝热处理，辐射传热可忽略不计。

2.2 边界条件设置

利用Gambit网格化软件对物理模型进行网格划分，由于该机舱内部结构复杂，计算模型主要采用具有较强适应性的非结构网格进行划分，并对重要换热面和进排气围井进行适当网格加密处理，由此，得到网格数量为210万。对网格质量描述如下：最小体积大于零，扭曲率在0.6～1之间的仅占1.19%。模拟工况为：夏季，船舶以主机MCR工况点全速航行，2台副机则以额定工况并机运行。根据实际工况和设备性能进行边界条件设置［3-6］，如表1所示。

表1 边界条件设置Tab.1 Boundary conditions set up

3 模拟过程和结果分析

计算收敛之后，选择船员经常巡视和操作区域的典型截面进行分析，并选取X=1.3 m，Y=0.7 m截面进行气流速度场和温度场观察，如图2和图3所示。

将舱内主要部位（X=1.3 m）温度的模拟值与系泊试验的测量值进行比较，温度测量点位置如图4所示，比较结果如表2所示。

表2 温度模拟值与测量值比较Tab.2 Temperature comparison between calculated values and measured values

由表2可以看出，模拟值和测量值存在一定差别，但误差较小，在3%以下，从而证明了本文所建计算模型的正确性。

图2 截面气流速度场图Fig.2 The section of air velocity field

图3 截面气流温度场图Fig.3 The section of air temperature field

图4 温度测量点位置Fig.4 Locations of temperature measured points

由图2和图3可以看出：

1）机舱后段气流速度很小，存在气流死区，并且，由于气体不能有效流动而导致机舱后段废热无法排出，故温度偏高，这与温度分布图（X=1.3 m）上该处显示的温度一致。同时，机舱后段右侧存在气流大漩涡，且两侧分别是滑油舱和污油舱，后侧是2个燃油舱，该机舱后段右侧会有油雾汇集且无法正常排出［7-8］。

2）机舱前侧风口下方气流会产生很大静压和动压，且平均气流速度大于9 m/s，从而产生较大噪声，人通过此处会感觉非常不适。同时，左侧风口距离燃油锅炉较近，部分新风直接吹向炉体，这会导致炉体产生热应力和热量损失。

3）机舱前侧气流速度高、温度较低；后侧气流速度慢、温度较高，且机舱气流速度梯度变化大，温度最高的地方停留在2台主机和2台副机之间的区域：50～54℃。这是因为：根据《机械设备计算书》可知，主机燃烧所需气流量约是轴流风机气流量的一半，而进气围井离主机进气滤器较近，会产生气流短路，这就使得新鲜空气无法形成有效的换热回路就被排出［9］。尤其是2台副机和2台主机之间，这是主、副机显示器和控制器的所在位置（温度较高），不利于电子设备的长期使用和人员操作。同时，其也不满足海船规范对于机舱温度的要求。

上述模拟结果与该船机舱机械通风系统进行系泊试验时得到的结果相一致，因此，需要对机舱机械通风系统采取及时有效的改进措施，以提高船舶安全性和舒适性。

4 通风系统优化方案

优化措施如下：将机械送风口改为机械抽风口，风机通风量保持不变；将压力进口改为压力出口，保证负压在人的舒适度范围内；其它边界条件不变。同样，进行上述非结构网格划分和求解设置，计算收敛后，观察相同位置的速度场和温度场，如图5～图6所示。

由图5和图6可以看出：

1）机舱后侧的气流死区流速提高3～4.5 m/s，该处温度由42℃降低到33℃；

2）机舱整体气流分布更加均匀，速度梯度明显减小，气相组织明显改善，人活动区域的最高流速为7.2 m/s（出现在进风口底部），抽风口底部流速降为3～4 m/s，主、副机之间的活动区域温度降为37～40℃。这是因为：采用机械抽风加自然进风的通风形式后，新鲜空气的换热行程增加，从而避免了机舱进风和主机的进风短路，气相组织湍流特性增加。同时，优化前的进气围井截面平均流速为-3.85 m/s（图2），优化后的该处平均流速为7.6 m/s（图4），可知，机舱实际进风量增加了近50%，这是由于主、副机进风端的抽吸作用所致。

但是，在机舱中段右侧出现了较大气流漩涡，气流速度为0～1 m/s，使得该处温度为47～53℃，因此，需对此处进行改进。可在该处上甲板增加1个600 mm×600 mm的新增风口，如图7所示。

图5 优化后截面气流速度场图Fig.5 The section of air velocity field after optimization

图6 优化后截面气流温度场图Fig.6 The section of air temperature field after optimization

图7 新增风口布置图Fig.7 The arrangement of the added inlet

与上述设置相同，计算收敛后，观察相同位置的气流速度场、温度场和静压场，如图8～图10所示。

由图8～图10可以看出：

改动后的气流分布更加均匀，速度梯度明显减小，气相组织明显改善，最大风速在机舱进风口处，为5.5 m/s。同时，机舱内部没有气流漩涡和气流死区，温度分布明显改善，工作区域绝大部分为34～40℃之间。温度最高处在左主机和锅炉之间，约50℃，但是该处地方狭窄，没有需要经常操作的机电设备，因此可以接受。此外，机舱环境负压为-80～-66 Pa，在人的舒适度范围内［10］。

布置新增风口时要注意避开上甲板系泊设备及其工作区域，可以考虑采用自然通风头或者进气滤水百叶窗的型式，这样施工方便、安全美观，且满足规范要求。

图8 对优化方案进行改动后的截面气流速度场图Fig.8 The section of air velocity field after alteration to the optimization plan

图9 对优化方案进行改动后的截面气流温度场图Fig.9 The section of air temperature field after alteration to the optimization plan

图10 对优化方案进行改动后的截面气流静压场图Fig.10 The section of air static pressure field after alteration to the optimization plan

5 结语

本文利用CFD技术对机舱内的通风情况进行数值模拟，得到了机舱气相组织的详细分布，并利用FLUENT软件对改进方案进行模拟、分析，其结果为工程设计提供了参考依据。通过模拟分析可知：

1）对于某些船舶的机舱机械通风系统，可以采用机械送风取代机械抽风的换气模式，这样能够取得更好的供气换热效果。

2）对机械抽风和自然进风组合的机舱机械通风形式，可以进一步优化处理，通过在上甲板开一个新增风口后，人员活动区域的温度更加符合设计和规范要求。

3）有效简化机舱物理模型，并合理设置机电设备和舱壁边界条件是进行机舱通风数值模拟的有效手段。

随着计算机性能的提高和设备资料的完善，可以建立更为真实的机舱模拟，以提高模拟效果。此外，机舱通风的优化方式有多种，如改变风口位置、大小、数量，在舱内增加隔板，或采用空气射流技术等，这些有待进一步研究。

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