射流引风装置对船舶锅炉舱室通风系统的影响仿真

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

大吨位的船舶动力系统多采用蒸汽系统并设置有锅炉舱室。船舶锅炉舱中的动力设备众多且布置紧凑，蒸汽管路众多且走向复杂，锅炉舱室热量聚集，严重影响工作环境。有效的降温手段以及合理的气流组织对于改善锅炉舱室乃至大空间动力舱室的通风设计至关重要。有研究发现在机舱大型发热设备集中的位置增加布风口与排风口，可以有效带走大量的热负荷并消除部分油气的聚集[1]。对一艘3 100箱集装箱船运用计算流体动力学软件SC/Tetra对机舱内的空气流动进行数值计算和模拟，获得了整个机舱的气流场和温度场分布，并对机舱热环境进行分析，提出了若干种通风系统的优化措施[2]。对某型船动力舱利用计算流体动力学技术对舱内通风系统进行数值模拟，得到了舱内气流速度场、温度场及相对湿度场的结果，发现采用舱室下部送风，上部回风的设计，同时将回风口布置在热流密度较高的锅炉附近，可以很好地将舱内高温气体及时排除，维持舱内温度场的平衡[3]。为了探究射流引风装置在锅炉舱通风系统设计中的影响，结合锅炉舱通风系统的设计，模拟四组锅炉舱通风系统布置方案，包括无射流引风装置的原通风系统布置方案，以及三组包含射流引风装置的典型布置方案。其中对无射流引风装置原通风系统布置方案的仿真，目的是分析舱内气流的流动情况及温度场的分布，确定气流不畅区域以及高温区域，为后续方案中射流引风装置的布置提供依据，同时便于对比分析和验证射流引风装置对舱内气流场和温度场的影响。

1 控制方程

数值模拟计算基于有限体积法求解的N-S方程组。压力-速度的耦合求解采用SIMPLE格式。模拟计算工具为ANSYS15.0。采用有限体积法，将计算区域划分为一系列的连续体积，用一个基点来代替每个控制体积。

流体流动需要遵循流体运动定律，包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律等。

2 建模及网格划分

模型通风口的布置位置和面积等与实际情况保持基本一致。所建立的舱内设备和通风口的几何模型见图1，与实际尺度的比例为1∶1，包含了锅炉、冷凝器等在内的主要热源设备，以及连接新风风机的出风口，循环风机的出风口、入风口，射流引风装置的出入风口等。

图1 舱内设备和通风口几何模型(俯视)

对比模拟方案见图2。方案1为无射流引风装置，方案2为两侧同向布置射流引风装置，方案3为单侧同向布置，方案4为两侧反向布置。

图2 3种射流引风装置布置示意

采用矩形计算域，长13 m，宽28 m，高13.8 m，采用非结构化网格划分，网格数量为256万。

3 边界条件

重要的边界条件包括新风风机出风口边界、循环风机出风口边界、发热设备的边界等。

根据新风风机的送风风量、连接新风风机的出风口数(共35个)、出风口面积等计算确定新风风机出风口的速度边界约为8 m/s，根据相关文件中所提供参考环境温度确定温度边界。

与新风风机出风口边界类似，根据循环风机的送风风量、连接循环风机的出风口数(共27个)、出风口面积等计算确定循环风机出风口的速度边界约为10 m/s。根据射流引风装置的风量及进、出风口通径大小，射流引风装置出风口的速度边界约为18 m/s。

以单台锅炉的边界为例。发热量统计文件中所提供单台锅炉设备的发热量约为70 kW，所建立单台锅炉设备的体积为69.062 m3、表面积为90.109 m2，由此计算得到单台锅炉设备的热边界为776.837 W/m2。

4 结果与讨论

4.1 气流场分析

模拟计算得到4个方案锅炉舱内不同类型风机和射流引风装置所产生的气流场情况，见图3。

图3 气流场模拟结果

舱内的气流运动主要由连接新风风机的出风口、连接循环风机的出风口、循环风机的入风口、射流引风装置的入风及出风口等因素驱动。

从流线密集度方面分析，相对于无射流引风装置方案(即方案1)，有射流引风装置的锅炉舱内其气流场流线分布更为均匀，更多的流线到达靠近舱壁处的位置，表明射流引风装置可以有效减小舱内空气滞止区的体积，并提高原滞止区内空气的掺混与交换，增强舱内空气的扰动；同时，流线更加密集，说明气流的扰动水平更高。尤其在射流引风装置的出风口前部，在射流装置的有效作用距离内，流线平直、气流方向一致、流速较高，可有效地驱动射流引风装置布置位置附近的气流，对气流的驱动作用明显。两侧反向布置射流引风装置的方案(即方案4)的模拟结果表明，其流线分布最为密集，说明其扰动相较为两侧同向布置(即方案2)，单侧同向布置(即方案3)也更为充分，气流在舱内的分布更为均匀。

从流线方向方面分析，在无射流引风装置的通风方案(方案1)中，预设的与新风风机及循环风机相连的所有出风口，其出风方向均为垂直向下(相对甲板面)，其使得舱内的气流流向相对规则，流线方向基本为垂向。在开启射流引风装置后，由于射流引风装置进、出风口水平布置，出风口增加了水平方向的气流流向，使得气流场中的斜向流线明显增多。得益于其较远的有效作用距离(约12 m)，射流引风装置不仅提高了气流场内的扰动水平，还可以在立体空间中有效组织气流，从而提高动力舱通风系统气流场控制的灵活性。

4.2 温度场分析

模拟计算得到4个方案下舱内大部分区域的温度值均处于41 ℃～60 ℃范围，见图4。

图4 温度场模拟结果

方案1仿真计算结果见图4b)。分析图4b)可以初步得到未使用射流引风装置情况下舱内的高温区域分布(高温区域温度高于其他区域温度4 ℃以上)。高温区域主要分布在舱内左下部靠近排风排烟围阱一侧。低温区域的平均温度约为41 ℃，集中在舱内远离排风围阱的一侧，高温区域的平均温度为52 ℃，集中在靠近排风围阱的一侧。而在主要发热设备附近区域，其温度可达到或超过60 ℃，且其附近热量按主要气流方向扩散。

温度场仿真结果表明，开启射流引风装置并未对舱室的平均温度产生明显影响(差异在1 ℃以内)。这与射流引风装置本身不制冷的特性相吻合，符合热力学第一定律。但锅炉舱内的高温区域分布受射流引风装置布置影响。

5 结论

1)射流引风装置投入运行，其前侧气流的流线平直、气流方向一致，具有很高流速，对舱内气流的驱动作用非常明显，整体上可提高舱内空气的扰动，有效减少空气滞留区。

2)射流引风装置可增加舱内水平方向的气流流向，有效作用距离可达到12 m，两侧反向布置时，锅炉舱内的气流场最为均匀。

3)射流引风装置对舱室的平均温度无明显影响，在锅炉舱通风系统的设计中，应从新风风机，循环风机的角度考虑整体舱室的冷量供给。