大尺度双体船机舱通风系统的数值模拟分析和优化设计

2020-03-09申高展周鑫涛郭杨阳王海宁

舰船科学技术 2020年1期

郭昂，王博，申高展，周鑫涛，吴宪，郭杨阳，王海宁

(中国船舶科学研究中心，江苏无锡 214082)

0 引言

双体船因其具有振动小、辐射噪声低、舒适性好、作业甲板面积大、横向稳定性和航向稳定性好等诸多优势，在我国公务船、调查船和军船等领域均占据十分重要的位置。

大尺度双体船型深和船宽都比较大，其独特的双片体结构形式，泵浦吸高能力对设备位置的限制，加之现行规范、公约对于系统配置和设备冗余度的要求，使得机舱设备繁多、空间拥挤，这给机舱通风系统的设计带来很大难度。作为船上最为重要的通风系统，机舱通风效果的优劣、气相组织的合理分布将直接影响到主、辅机的安全稳定运行、电气元件的使用寿命和船员的作业安全和工作效率[1]；不良的通风会造成局部温度过高、油气聚集，并加大火灾或爆炸的风险[2,3]。

本文以目前在建的，也是世界最大的小水线面双体船为例，利用CFD技术进行机舱通风系统的数值模拟，分析其典型截面的气相组织分布，并进行优化设计[4]。

1 机舱通风系统的物理模型

本船机舱长13 m、宽32 m，最高处19.5 m（不计烟囱高度），机舱总容积3 700 m3。为适应双片体船型的特点，并满足规范对于无限航区船舶的系统配置要求以及试验功能多样化的需求，本船机舱设备繁多、布置密度高。经机舱热负荷和最小换气次数对比计算，本船全负荷工况所需通风量为27.5×104m3/h，通风系统采用4台送风机（风量7.0×104m3/h，全压690 Pa），并配套布风器、百叶窗等管路附件。机舱内主要设备和风管布置如图1所示。

根据机舱段型线图以及设备认可资料采用Pro/E建立其机舱、舱内设备和风管的物理模型。为满足有限元网格划分和计算效率的需要，对复杂繁多的机电设备、管系、电缆进行简化处理[5-6]：

图1 机舱主要设备和风管布置Fig. 1 Main equipment and duct layout in the cabin

1）忽略对舱室热环境和气流组织影响较小的小功率油/水泵、管系、电缆和配电箱，对外形复杂的机电设备采用规则化处理；

2）忽略对热环境影响较小、但对网格质量和计算精度产生较大不利影响的烟管。

建立外形尺寸较大以及传热量较大的设备的物理模型[7]：4台3 500 kW的主柴油发电机组、空压机和空气瓶组、燃油分油机组、滑油分油机组、低硫油冷水机组、局部细水雾装置、锅炉、热井、焚烧炉、冷却器、热水柜、大功率的油/水泵等；对于各层甲板、油水舱、通风管道作去除材料处理；对边界做无厚度无位移壁面处理。结构和设备的外形尺寸要求与实际尺寸一致，最终得到的机舱物理模型如图2所示。

图2 机舱物理模型Fig. 2 Cabin physical model

2 数学模型及边界条件

2.1 数学模型的建立

采用Ansys/Fluent模块对机舱内气相组织进行仿真分析，并选用k-ξ模型进行气流湍流特性的模拟。为获得较好的模拟效果，提高计算速率，并突出主要矛盾，做以下理想化处理[8]：

1）流体为不可压缩理想气体，流态为稳态流动过程；

2）除了主风机进气、烟囱和主机排气，门窗处于正常使用状态时的关闭状态，舱内密封良好，无漏气现象；

3）舱壁采用A-60级绝热材料包覆，无凝水或传热现象，作为绝热壁处理。

2.2 边界条件的设置

利用ICEM对物理模型几何实体进行网格划分及质量评定。采用对复杂实体适应性较强的全自动非结构网格划分方式，对畸形角点进行必要的修补和光顺处理，对进出风口、设备壁面以及结构转角线进行网格加密处理，最终得到网格数量450 W[9]。网格检验图像中，网格体积均为正值，大于0.3的网格占99.5%，网格质量评定较好。模拟工况：外界环境为305 K、标准大气压；船舶重载，发电机组、空压机、空调设备、配套泵浦等全负荷工况运行。根据模拟工况和设备资料进行模型边界条件的设置，如表1所示。

表1 边界条件设置Tab. 1 Sets of boundary conditions

3 模拟过程和结果分析

选取机舱送风口为计算初始点，经1503次迭代计算收敛后，选取人员经常巡视和作业的区域进行典型截面的速度场、温度场和压力场分析，这里选择主甲板向上1.3 m水平截面处、潜体向上1.3 m水平截面处、左片体中纵剖面处（即Z1，Z2，Y1截面），如图3～图5所示。

图3 截面速度场图Fig. 3 The distribution of air velocity field

图4 截面温度场图Fig. 4 The distribution of air temperature field

图5 Y1=0 m截面压力场图Fig. 5 The distribution of air pressure field Y1=0 m

可以看出：

1）主甲板区域。机舱后端风速约为0.2 m/s，此处为人员主通道区域，风速太小不满足人员舒适度的要求；左舷和右舷的主机之间温度适宜，但风速为13 m/s，较高的风速及由此产生的噪声问题不利于人员作业和全船辐射噪声的控制；两舷后侧为燃油舱、分油机、燃油泵及其油管所在区域，此处风速过小，边角处有涡流产生，会造成油雾汇集而不能正常排出，增大了火灾风险；锅炉、热井和焚烧炉作为热源，附近约48 ℃，温度较高不利于电子设备的长期使用和人员操作，同时不满足海船规范对于机舱温度的要求（45℃）；烟囱处温度和流速较高，但循环后的热风流经烟囱直接排向舱外，且人员通常不会到达该处，因此不作严格要求。

2）支柱体和湿甲板区域.。气相组织不均衡，速度梯度较大，但此处仅放置供水设备和冷水机组，且设备所在位置温度和流场尚可，因此其通风效果可以接受；在作为排风通道的上下梯道口处流场梯度大、风速过大（约15 m/s），气流将会因此产生较大的动压和噪声。

3）潜体区域。泵浦区域温度达到45 ℃，尾端风速太小，接近于一个大区域的流动死区，从速度场分析来看是因为进风口和出风口（上下梯道）距离太近，出现了明显的气流短路。

4）舱内压力较高，底舱静压达到310 Pa，大大高于人体舒适度对于压力范围的要求（±100 Pa），且会造成片体脱险通道防火门以及通向室外的风雨密门的人工开闭困难，不利于日常进出，给人员逃生到来极大安全隐患，同时过高的压力会引起送风机运行偏离其标准流量-压力工况，从而造成实际进风量大大减少。

总之，本设计阶段的机舱通风系统出现了多处流场梯度大，风速、温度和压力过高等现象，重点区域出现了流动死区，因此，亟须对该系统进行优化以改善其气相组织分布，提高船舶的安全性和舒适性。

4 通风系统的优化方案

从减小潜体内压力、均匀化气流分布、增加气流有效行程、减少短路现象的角度出发，在对舱内外设备布置影响较小的前提下提出优化方案，如图6所示。1）主甲板首部于机舱外两侧各增加1台抽风机，在左右片体设垂向风道（尺寸1000×300 mm），且在潜体、支柱体、湿甲板布有抽风口；2）各层甲板的尾部增加上下贯通的开口（尺寸850×400 mm），开口处铺设防止人员跌落的格栅；3）主甲板从主风管引出一通风支路至尾部（尺寸600×400 mm），并配套3个通风口；减小主机处风口的格栅尺寸，或机械限定其开度。修改区域的边界条件如表2所示，其余保持不变。计算收敛后，观察相同位置的气相组织，如图7～图9所示。