游步甲板区域烟雾扩散特性数值模拟

黄少雄， 窦培林， 温海涛

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003； 2.广州打捞局， 广东 广州515206)

0 引 言

传统大型客船的上层建筑设计只考虑了上层建筑的使用功能，没有考虑上层建筑外形的气动性能，使得甲板上层建筑多为钝体[1]。在气流流过甲板上层建筑时，原本平稳流动的气流组织被破坏，在上层建筑后方形成紊流和涡流区，烟雾易被卷入在烟囱背部形成的涡流区域，甚至可能出现甲板落尘，不利于烟雾排放，因此需对甲板上层建筑气流场结构对烟雾扩散的影响进行研究。

现代船舶烟囱的趋势是高度低、体积大、外形光滑，这些特征经常导致烟雾下洗。烟雾下洗是指烟囱附近的涡旋运动造成的烟羽在背风面向下混合的现象。烟雾下洗降低了烟雾的源高，使上层建筑附近烟雾浓度升高。

本文采用CFD数值模拟方法，研究大型客船烟雾与上层建筑的相互作用，分析湍流区域、速度比k(0.5、1.0、1.5、2.0)、偏航角φ(0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°)对烟雾扩散特性的影响。

1 数值计算理论

数值分析基于(N-S)方程[2]求解不可压缩牛顿流体，其形式为

(1)

式中：ρ为流体密度；Fx、Fy、Fz为单位体积上的质量力在x、y、z方向上的分量；u、v、w为3个方向上的速度分量；pij为单位体积上应力张量的分量；t为时间。

任何流动都必须满足质量守恒定律，该定律可描述为单位时间内流体微元体中质量的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律,质量守恒方程为

(2)

本文计算采用标准k-ε湍流模型，k、ε输运方程为

(3)

(4)

2 烟雾扩散机理

2.1 船舶烟囱周围气体流动

为了观察在船舶烟囱周围的气体流动状态，将烟囱视为长圆柱体。当理想气体流过烟囱时，流速增加，这导致相应的动能增加，压力减小。理想气体通过圆柱的最大宽度处，动能处于最大值，并且在圆柱尾部回归到初始流动状态。然而，空气不是理想气体，作为真实的气体，它具有黏度，流过圆柱时会产生动能损失，流动被迫分离，因此在圆柱后部的流动状态不同于初始流动状态。在其流动分离形成的区域，其压力低于自由流但高于其周围的快速移动的区域，最终在圆柱尾部形成涡旋。涡旋随着自由流动的气体向下游流动并缓慢破裂，这导致涡旋的质量增加且动量降低，最终涡旋完全破裂，流动不再遵循任何特定的模式。研究表明，当涡不断增长、摆动加强且不稳定的对称涡旋破碎时，会形成周期性交替脱落的卡门涡街，如图1所示。船舶烟囱烟雾扩散是非常复杂的，除了与烟囱本身的结构形状有关外，还跟湍流区域、速度比、偏航角等3个因素有关。

图1 卡门涡街

2.2 湍流区域

船舶上层建筑湍流区域是烟雾扩散问题的一个重要因素。湍流区域的高度主要由上层建筑的几何形状决定。文献[3-5]研究由船舶上层建筑结构引起的湍流问题和解决烟雾污染问题的方法。文献[6]给出湍流区域高度的估算方法，这种方法适用具有正常比例的上层建筑的船舶，但不能代替风洞试验。湍流区的近似高度可以通过以下公式确定：

T=αH

(5)

式中：T为湍流区域高度；α为基于上层建筑前部形状因素，方形边界α=1.0，圆形边界(大部分的现代船舶)α=0.8；高度H为上层建筑的“有效高度”。

2.3 速度比

速度比k定义为VE/VW，其中：VE为烟雾速度；VW为风速。同一艘船改变主机的输出功率和风速，速度比变化很大。基于风洞试验研究，SHERLOCK等[7]提出，在相同的k值下，不同的烟囱设计烟雾上升高度差异很大，同时指出k是下洗现象的决定因素。SHERLOCK等[8-9]的早期风洞试验提出公认的规则，即如果烟囱顶部的速度比为1.5或更大，则下洗现象不会发生或非常轻微。

2.4 偏航角

偏航角φ是风相对于船舶航向的角度。船舶在风速VW下以一定的速度Vship航行，船舶上层甲板上的风被定义为Vwod，矢量和为Vwod=VW-Vship，方向由偏航角φ定义，如图2所示。偏航角也影响烟囱周围的湍流区域和下洗。通常，船舶烟囱的高度大于烟囱的宽度，因此船舶航向改变，烟囱周围的流动模式也会发生改变。对于单个烟囱的船舶来说，偏航角在15°～60°时，烟囱排放效率逐渐下降，60°～90°时，排烟效率逐渐提高。这种变化是由烟囱周围气流组织的改变引起的。

图2 偏航角

3 数值模型

本文采用的计算模型船长266 m、船宽48 m、型深25 m、吃水8 m、上层建筑高度15 m，烟囱高度10 m，由于本文主要研究烟雾与上层建筑的相互作用，不考虑水线以下部分，几何模型如图3所示。

图3 船舶模型

文献[10]给出舰船气流场数值模拟计算域的设定范围，本文选取的计算域前后边界距船首和船尾均为2倍的船长，左右边界距船中纵剖面6倍的船宽，高度为水面最大高度的6倍。为了减少网格数量和计算时间采用混合网格划分计算域，即将计算域划分为2个域：外域和包含船体的内域，如图4所示。内域采用非结构化的四面体网格，外域采用结构化的六面体网格，如图5所示。

图4 计算域

图5 计算域网格划分

大型船舶航行时，气流组织比较复杂，本文简化计算工况，假定船舶在无风条件下以20 kn的航速直航，边界条件：入口为速度入口，出口为压力出口；烟囱顶部设置为速度入口,烟雾以空气代替，选择合适的烟气速度确保速度比k为0.5、1.0、1.5、2.0；左右面和底面都设置为无滑移壁面。如图6所示。

图6 边界条件

4 结果分析

(1) 速度比k的影响

如图7所示，在偏航角度φ=0°时，可以清楚地看到4种不同的速度比值k=0.5、1.0、1.5、2.0对烟雾扩散的影响。随着速度比的增大，烟雾的动量增大，烟雾上升的高度也随之增加，烟雾下边界与甲板之间的距离增大。烟雾在水平来流的作用下，向水平方向弯曲，最终运动流动方向与来流的流动方向一致。当k=0.5时，产生轻微的下洗现象；当k=1.0、1.5、2.0时，没有下洗现象产生。如图8所示，排除烟囱本身的局部空气动力学干扰，发现烟雾扩散是对称的，原因是上层建筑关于船舶中纵剖面对称，因此当船舶迎风直航时气流组织也应该关于中纵剖面对称。

图7 φ=0°时速度比k对烟雾扩散的影响

图8 烟雾扩散对称分布

(2) 偏航角φ的影响

在k= 1时，不同偏航角0°、10°、15°、20°、25°、30°的烟雾速度流线图如图9所示，随着偏航角度的增大烟气上升高度逐渐减小。偏航角φ=10°可以明显地观察到烟气向下弯曲的趋势，φ=15°时趋势更加明显。在偏航角φ=20°时，烟雾卷入烟囱背部形成的涡旋，烟囱后面的烟气浓度呈增加趋势，扩散至艉部甲板，产生下洗现象，主要原因是当偏航角度增大，原来稳定的气流组织模式被破坏，导致上层建筑气流组织混乱。偏航角度20°～30°范围内不利于烟雾的排放，所有有利于烟雾排放的因素都消失了。在这些不利偏航角的范围内，烟囱周围混乱的气流组织导致下洗现象的发生。烟囱的排放性能随着偏航角从15°增加至30°而减弱。

图9 k=1时偏航角对烟雾扩散的影响

(3) 偏航角φ=30°时速度比k的影响

图10 a)所示为φ=0°时烟囱顶部的速度云图，在φ=0°时气流组织关于船舶中纵剖面对称，图中速度较大的区域是因为气流流经船体时，上层建筑与烟囱的存在导致横截面积减小，流速增大。然而，一旦船开始转向，气流对称模式就被破坏，φ=30°时烟囱顶部气流组织如图10 b)所示，气流组织分布非常混乱。选取偏航角φ=30°为研究对象，因为在φ=30°时下洗现象非常严重，同时气流组织也非常混乱，φ=30°时速度比k对烟雾扩散的影响如图11所示。在k=0.5时和k=1.0时有明显的下洗现象，尤其在k=0.5时，烟雾直接扩散到艉部甲板，主要原因是船舶转向造成上层建筑原本平稳对称流动的气流组织被破坏，同时烟雾的速度较低，烟雾上升的高度还没有离开上层建筑产生的湍流区域就被卷入烟囱后部的涡流区，向甲板扩散。在k=1.5和k=2.0时烟雾动量的增加能够克服烟囱背部涡旋的吸力，在烟雾向水平方向弯曲之前，上升至更大高度，烟雾以更高的高度通过甲板，下洗现象非常轻微。

图10 烟囱顶部速度云图

图11 φ=30°时速度比k对烟雾扩散的影响

速度比k和偏航角对下洗现象的影响如表1所示。从表1可以看出：当k=0.5和1.0时，在偏航角的不利范围内容易产生烟雾下洗现象；当k=1.5和2.0时，烟雾动量的增加能够克服烟囱背部涡旋的吸力，烟雾以离甲板更高的距离通过艉部甲板，没有下洗现象产生。

表1 下洗现象

5 结 论

本文主要针对空气与上层建筑相互作用产生的气流场对烟雾扩散的影响进行了数值模拟。计算结果表明：对于三维速度分布的预测，CFD 可以给出比较准确的计算结果。通过对湍流区域、速度比、偏航角的分析得出以下结论：

(1) 随着速度比的增大，烟雾的动量增大，烟雾上升的高度也随之增加，烟雾下边界与甲板之间的距离增大。

(2) 偏航角度φ=0°时，排除烟囱本身的局部空气动力学干扰，发现烟雾对称扩散。

(3) 偏航角φ超过15°可以明显地观察到在烟囱背部开始产生下洗现象。

(4) 通过增加烟雾的动量可以克服在偏航角不利范围内的下洗问题。