基于CFD的分油机室通风系统分析

张明 ，赵敬德2，周建华，李斌

(1.上海外高桥造船有限公司，上海 200137；2.东华大学 环境科学与工程学院，上海 201600)

大型民用船舶的机舱内设置有分油机室，一般会紧邻高温油舱，导致分油机室内的综合热环境较机舱其他区域更为恶劣。倘若分油机室内的通风效果不佳，可能因局部高温将室内设备的电子元器件烧坏、影响系统的正常运行。虽然ISO 8861对机舱所需的总风量计算提供了规范指导，但是由于缺少有关分油机室通风计算的细则。根据《船舶设计实用手册》[1]的指导计算得到的分油机室的机械送、抽风量，在实际应用中的某些特殊环境下(例如，室外气温达到42 ℃或更高)，倘若通风布置不合理，则会导致在总风量足够的情况下，发生局部的温度峰值超过设备许用的环境温度、进而导致设备发生故障的风险。本文将借助计算流体力学(CFD)的模拟分析方法[2]，为预测分析分油机室的通风效果提供理论依据，并为分油机室通风系统的设计优化提供参考。

1 分油机室网格模型的构建

图1为某船舶分油机室的生产设计模型，图中送风总管(25 500 m3/h)为800 mm×900 mm的矩形风管，布置有7个送风口。抽风管总管(27 000 m3/h)为800 mm×800 mm的矩形风管，布置有5个抽风口，其中2个抽风口延伸到分油机室甲板附近、用于抽排分油机室内沉积的气体。

图1 某船分油机室的生产设计模型

为了保证模拟计算的可行性，在尽量减少系统计算时间的同时，使模型尽量贴近实船应用的情况，将分油机室的围壁和甲板、分油机和供油单元的主要元件、送/抽风管按照实际规格建模，忽略结构内部的扶强材、大小梁、肘板等结构及其他的管线等舾装件。

在GAMBIT中构建的分油机室的三维模型及计算域内的边界条件命名见图2，完成对该模型的面网格和体网格的划分，总共生成262 984个网格单元。

图2 分油机室的三维计算模型

2 分油机室通风系统的数值计算

为了便于对分油机室的通风系统模型进行理论分析和数值计算，需要对分油机室内的工作环境作出适当的假设，具体如下。

1)分油机室的结构满足气密要求，流体经送风口流入、从抽风口流出计算区域，主要的流动介质为低速空气，属于牛顿流体，其表面应力满足广义的牛顿黏性应力公式，并忽略由流体黏性力所导致的耗散热[3]。

2)分油机室内送风管的出口温度相同、均为室外大气温度(42 ℃)，忽略空气在送风管中的温升，抽风管入口温度相同、均为在Outflow的边界条件下的出流温度，抽风口保持负压50 Pa。

3)空气经过分油机室内的各送风口以均匀的速度流入，经过一定时间的连续运动后，分油机室内的空气得到充分混合、整个流场最终达到稳定状态，即可将分油机室内的流动视为稳态流动，在所有的微分方程中忽略时间因素的影响。

4)分油机室内的空气符合Boussinesq假设，即忽略环境压力的变化对空气密度的影响，只考虑由于温度的变化而引起空气密度的变化[4]。

5)分油机室内的机械及电气设备的工作状态稳定，其向周围环境均匀地散发热量。

基于上述假设，在FLUENT软件中选择采用压力修正算法和标准k-ε2方程模型，保持系统中标准k-ε2方程模型的默认设置，并启用基于热交换的能量方程。设定操作工况为标准压力100 kPa，考虑重力的影响，设置重力加速度为Y方向-9.81 m/s2，输入相关边界条件，见表1。

表1 边界条件的名称、类型和描述

3 模拟结果的分析

为了便于对计算结果进行分析，首先定义7个典型剖面(y-1，z-1～z-6)，见图3。

图3 三维计算模型的7个典型剖面

统计上述7个典型剖面上的最高温度值，见表2。

表2 典型剖面上的最高温度值 ℃

其中，电控箱及控制台周围的最高温度为54.35 ℃，接近于厂家允许的环境温度峰值55 ℃，有发生过热问题的风险。对y-1剖面及z-1/4/6剖面的温度场进行分析。

分析图4所示的y-1剖面，发现受送风管侧向45°风口的影响，分油机电控箱正面(朝向分油机室右壁)附近的温度一般均低于其背面温度。由于主机供油单元周围的通风效果不理想，且其热通量较高，导致其附近的温度高于其他设备，此剖面上的最高温度t0=56.35 ℃。

图4 y-1剖面的温度场

分析图5所示z-1剖面的速度场云图，发现在主机供油单元控制台的左侧和顶部均出现低速滞流层，V1、V2附近的速度约为0.2 m/s，对应在控制台附近的最高温度t1、t2约为53.35 ℃。

图5 z-1剖面的计算结果

根据图6所示的z-4剖面，此位置处的送/抽风管均未布置风口，燃油分油机单元电控箱附近仅有较弱的自然对流，其中在电控箱顶部V6和底部V7的滞流层速度较低、约为0.2 m/s。由于热空气的上浮效应，导致电控箱顶部t5处的温度较高，约为54.35 ℃。

根据图7所示z-6剖面的速度场云图，此处的滑油分油机单元电控箱的左上方布置有一个抽风口、右上方布置有一个45°的送风口。受机械送风口的强制对流影响，电控箱右侧温度相对较低，在左侧背风面的滞流层V10(约为0.2 m/s)对应的温度t7相对较高，约为52.35 ℃。

综合上述分析可知，在分油机室内的电控箱及控制台周围存在多个明显的低速滞流层，尤其是在电控箱的背风面，导致削弱了依靠室外新风进行强制对流换热的降温效果。由于部分送风口和抽风口的分布位置比较靠近，也没有相互错开布置，导致局部经送风口流出的强制对流空气在没有经过充分的室内循环混合后就进入了抽风口，然后直接排出了分油机室，进一步减弱了通过室外新风对分油机室内部进行通风换气的效果。

图6 z-4剖面的计算结果

图7 z-6剖面的计算结果

因此，有必要对当前的分油机室通风系统进行改进，以改善室内的气流组织和通风效果，并避免电控箱和控制台附近的温度超过55 ℃，保障分油机室内设备的安全运行。

4 分油机室通风系统的改进

为了提高该分油机室通风系统的换气效果，降低重点电气设备周围的温度，针对上文的问题，将原整体式的通风系统改为对关键处所的工位送风系统。

1)将送风管和抽风管的位置互换，其中抽风管的高度与风口大小、数量均不变。

2)将送风管的整体高度下降0.5 m，修改后的送风总管底面距离分油机室甲板的高度为3 m，送风口距离电控箱的最小高度为0.3 m。

3)根据燃油/滑油分油机单元和主机/辅机供油单元的散热量大小、按比例分配各风口的送风量，并将主要送风口置于电控箱和控制台的正上方，另外针对热流密度值较大的主机供油单元，增加一路从上方送风总管延伸下来的侧向支管送风口，用以改善主机供油单元四周的气流组织。

经过改进后的分油机室通风系统的三维模型及其边界条件见图8。

图8 改进后的分油机室通风系统模型

在GAMBIT中对改进后的三维模型重新划分网格，并导入FLUENT软件进行计算求解。基于对典型剖面的温度场分析结果，得到在改进前后各剖面最高温度见表3。

表3 改进前后典型剖面的最高温度值 ℃

由表3的模拟计算结果可知，在对原分油机室通风系统进行改进后，各典型剖面上的最高温度均低于55 ℃，且改进后各剖面最高温度的平均值比改进前的各剖面最高温度平均值降低1.93 ℃。

在对改进前、后的各典型剖面的温度场进行对比分析可知，分油机室通风系统经过改进后，燃油分油机单元电控箱(z-4剖面)周围的最高温度从54.35 ℃下降到46.35 ℃，基于z-1～z-6剖面的电控箱及控制台周围的最高温度平均值由51.85 ℃下降到48.52 ℃，降幅达到3.33 ℃。特别是对于分油机单元相关的4个剖面：z-3～z-6，其剖面上的最高温度点均从原来的电控箱附近转移到其他的非关键位置。

5 结论

1)对电控箱进行强制对流送风时，通过正上方风口直接进行工位送风的降温效果要优于斜上方45°送风的效果。

2)鉴于热空气的上浮效应，应将抽风管及其吸入口尽量布置于高处，并将送/抽风管在高度上错开布置，使送风口与抽风口保持一定的间距，改善室内空气循环流动的效果。

3)在实践中，如能在初始设计阶段即对分油机室通风进行系统的模拟分析，则可以在最大程度上避免到后期暴露出问题后再进行修改，避免增加额外的物量成本和人工成本。