船用结构风道局部阻力损失数值及试验分析

何卓宇 ，李晓燕 ，余龙 *，黄超 ，李曙刚 ，陈果

（1援海洋工程国家重点实验室，上海交通大学，上海 200240；2援高新船舶与深海开发装备协同创新中心（船海协创中心），上海 200240；3.中交广州航道局有限公司，广东 广州 510006；4.江苏骥鑫船舶设备有限公司，江苏 泰州 225300）

0 引言

船舶通风管道系统对船舶的消防、人员安全和机舱设备的正常运行都具有重要的意义[1]。船舶结构风道利用了船舶自身的结构，一方面节省了空间，缓解了布置地位型船舶或海洋平台散热需求量大和布置空间缺乏的矛盾，另一方面还能够加强船舶的结构强度[2]。目前船用结构风道已经在一些船舶上得到了成功的应用[3]，在挖泥船、滚装船等布置地位船舶和海洋平台上有着良好的应用前景。

船用结构风道中不可避免的有大量的内部支撑结构，会造成显著的局部阻力损失，然而目前设计手册中还没有专门指导结构风道设计的阻力公式，设计只能依赖简化的经验公式[4]。

近年来国内外研究开始利用CFD方法模拟风管[5-7]，王刚等[8]利用CFD技术分析了带内支撑的风管的阻力特性，其结构与船用结构风道十分相似。姚正钢等[2]用CFD技术预报了某海洋平台上的结构风道系统的阻力情况并给出了优化设计方案。但仍然缺少对结构风道局部阻力计算方法的研究，尤其是数值方法和试验的比较验证，这也是本文的主要工作。本文建立了典型的结构风道模型，在试验室进行了全尺度试验，分别利用CFD方法和经验公式预报风道模型的阻力损失，以检验数值模型的准确性，并分析了局部阻力损失随内部结构位置、间距和数量的变化规律。

1 管道阻力损失经验公式

根据文献[4]，空气流经管道所产生的压差损失由流经管道的沿程阻力损失和流经管路附件产生的局部阻力损失两部分组成，其中，沿程阻力损失由公式（1）计算得出：

式中：驻Pf为管道摩擦阻力损失，Pa；姿为沿程阻力系数，无因次；L为风管长度，m；Dh为水力直径，mm；v为空气流速，m/s；籽为空气密度，kg/m3。

沿程阻力系数姿的简化计算公式为：

式中：着为管壁绝对粗糙度，mm。

水力直径Dh的计算公式为：

式中：A为风管截面积，mm2；P为风管截面周长，mm。

局部阻力损失的计算公式为：

式中：驻Pj为管件阻力损失，Pa；孜为局部阻力系数；籽为空气密度，取1.226 kg/m3；v为空气流速，m/s。只要准确预报局部阻力系数孜就能直接预报不同流速下风管的局部阻力系数。

2 结构风道数值模型建立

结构风道一般以矩形为主[5]，内部设有肋骨、横梁等支撑结构。将肋骨、横梁结构简化为四边支撑的常用型材：扁钢和角钢。本文选取了遮挡面积为10%的1档结构风道（1档10%），遮挡面积为10%的3档结构风道（3档10%）进行分析。所有模型外管道形状均为正方形，尺寸为600 mm伊600 mm，长度为1 887.4 mm，其尺寸参数和布置位置如表1所示。

表1 模型内部结构参数Table 1 Internal structural parameters of the model

2.1 网格划分与计算参数设置

本文中网格划分采用Octree算法，网格类型选择四面体/混合网格，三档风道网格分布如图1所示。壁面无滑移条件，为粗糙壁面，壁面绝对粗糙度取为0.2 mm。

图1 三档风道网格分布Fig.1 Grid distribution of air ducts with three intervals

在本文的数值模拟中，不同模型的网格节点和单元数量如表2所示。

表2 网格的节点和单元数Table 2 Number of nodes and cells

2.2 网格无关性分析

本文进行了网格无关性分析，以10%模型为例，10 m/s工况下网格无关性结果如表3所示。从表中可得，网格密度2对于分析结构风道模型是合适的，后续计算均采用此网格密度。

表3 网格无关性分析Table 3 Grid independence analysis

2.3 计算结果

本文计算了2个模型在3种进流速度下的阻力损失情况，静压结果如表4所示。

表4 CFD计算静压结果Table 4 CFD calculated static pressure results

上述计算结果显示，各结构的局部阻力损失和速度基本满足二次方关系，与理论公式一致，证明同一结构的局部阻力系数与速度无关。其次，局部阻力系数随遮挡面积的增大而明显增大。最后，3档结构中每档的平均局部阻力系数要明显低于1档结构，则可能是由于各档之间距离较小，各结构之间发生干扰引起的。

3 结构风道试验

3.1 试验方案及设备

在试验室进行了全尺度试验，测定了在不同风速下不同结构的船舶结构风道的局部阻力系数。试验装置如图2所示。各模型前后均有一测压截面，截面上四边开孔，用毕托管测量8个测量点的全压，相减以得到前后压强差。

图2 试验装置图Fig.2 Test device diagram

3.2 试验结果

试验分别测量了模型在2组不同速度下的全压损失，相应结果如表5所示。

表5 试验结果Table 5 Results of test

4 计算结果分析

将经验公式[4]所计算出的局部阻力损失与CFD结果、试验结果进行对比，如表6所示。CFD结果与试验结果最为接近，优于经验公式。设计手册中并未考虑多档结构连续布置的影响，因此无法计算3档结构模型，这也是经验公式不如CFD方法的原因之一。

表6 不同方法结果对比Table 6 Comparison of results of different methods

5 讨论

5.1 进流段无因次长度对局部阻力的影响

调整了1档模型内部结构的位置，使进流段无因次长度L/D（L为进流段长度，D为管道水力直径，下同）逐渐增大，如图3所示。所有模型的测压截面均设置于局部结构前、后方L/D=0.739 5处，结果如表7所示。

图3 无因次长度计算模型Fig.3 Dimensionless length calculating model

表7 进流段无因次长度计算结果Table 7 Dimensionless length of inlet section

随着L/D的增大，单档结构的局部阻力损失系数明显减小，且基本满足线性关系：

5.2 档位间距对局部阻力损失的影响

建立2档结构间距不同的模型，在保证进流段长度和进流速度不变的条件下（L/D=0.739 5，v=10 m/s），使模型2档内部结构的无因次间距驻L/D分别等于 0.667、0.833、1、1.25和 1.66（图 4），分别计算了其局部阻力损失和局部阻力系数，结果如表8所示。随着档位间距的增加，平均单档局部阻力损失系数孜与无因次间距驻L/D呈现非线性关系：

图4 不同档位间距计算模型Fig.4 Various interval spacing computation model

表8 不同档位间距局部阻力系数计算结果Table 8 Calculations of various interval spacing local resistance coefficients

5.3 增加档位对局部阻力损失的影响

以 L/D=0.739 5，驻L/D=0.833及 v=10 m/s为条件，分别对1档、2档和3档结构进行了建模计算，模型如图5所示，计算结果如表9所示。

图5 增加档位模型Fig.5 Increment of intervals model

表9 增加档位计算结果Table 9 Calculations of increased intervals

当风道内部结构之间的间距较小时，增加档位引起了局部阻力损失增加，但增量较小，增加档位后的局部阻力系数与初始1档的局部阻力系数之间基本满足线性关系：

式中：孜n为增加n档的局部阻力系数；孜1为初始1档的局部阻力系数。

6 结语

本文分别采用经验公式、数值计算和试验数据，分析了船用结构风道局部阻力损失的结果。相比经验公式，CFD数值方法不仅能够计算多档内部结构影响，更能准确地预报结构风道局部阻力损失，可为结构风道的设计和减阻提供参考。

本文进一步分析了结构风道的局部阻力损失随内部结构位置、间距和进流速度的变化规律，具体结论如下：

1）由单档内部结构的位置变化分析可知，局部阻力损失与进流段无因次长度呈线性关系，对10%遮挡面积的内部结构，满足线性公式（6）。

2）两档内部结构档位间距的增加，平均阻力系数随之增大，满足三次多项式（7）。

3）对多档结构，初始1档结构的局部阻力损失明显高于增加的其他档，且增加各档后的局部阻力系数可通过式（8）快速获得。