外部气流影响下的船舶通风口烟气扩散试验

杨卫国，刘 晗

(1.海军装备部驻上海地区第八军事代表室，上海 200011；2.上海船舶工艺研究所，上海 200032)

0 引 言

船舶通风系统的进排风效果对船上人员正常起居、船舶消防安全和机舱设备正常运行具有重大的影响[1]。对于大型船舶，无论在系泊状态还是在航行过程中，在外部气流流经时船舶附近会形成局部的高压和低压区域，影响通风系统排放尾气效果，特别是在外部风向与排气口的排气流向相反时，可能存在尾气由进气口倒灌的问题。目前，在国内外船舶通风系统方案设计中，进排气风口的布置主要根据经验安排，并未采用科学的预报分析方法，外部气流场作用下的尾气沿船体的气流组织变化无法确定。通风效果是在完成船舶建造并经实船测量后才知道，很可能无法达到良好的排气效果，甚至造成大量返工[2]。因此，有必要针对外部气流场对船体通风口的影响作用进行分析，为通风系统设计提供技术支撑。

近年来国内外研究开始利用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法模拟通风系统预报。郭昂等[3]对某船机舱机械通风系统进行数值分析，并提出机舱气流改进方案。张琪等[4]利用拉格朗日粒子示踪方法对采用不同通风设计方案的船舶货舱中的气体流动进行分析，确定通风优选方案。何卓宇等[5]对典型的船用结构风道局部阻力损失进行建模计算，通过试验结果验证CFD计算的准确性。但针对不同工况条件下的通风口排气扩散情况进行数值预报和试验验证，并用于指导通风口设计的研究却很少。所进行的研究主要针对外部气流场对舷侧通风口尾气扩散的影响问题，运用试验研究与CFD仿真模拟相结合的方法，对不同工况条件下通风口烟气的扩散情况进行分析，为船舶外部通风口的布置方式提供参考。

1 研究对象

研究对象为通过某风道试验系统模拟舷侧通风口、含CO2的烟气在外部气流作用下的扩散试验。该风道试验系统简化模型如图1所示，由前至后分为风机段、扩压段、整流段和测试段。风道试验系统的关键部位如图2所示。风道测试管道前端安装2台大功率变频高压风机，送风量在0～88 000 m3/h内可调节，扩压段和整流段主要用于稳定来流，并加装整流网和整流格栅等，使气流均匀到达测试段。风道测试段内的空间代表船舷外的外部气流场，测试段的一侧壁面上开口，代表带通风口的船舷，测试段另一侧壁面采用透明的有机玻璃制作，可观察内部烟雾轨迹等情况；模拟船舷的一侧壁面采用可拆卸板的型式，在其表面开设尺寸为500 mm×300 mm的模拟通风口(包括1个排风口和3个进风口)。排风口模拟系统配置1台轴流鼓风机，通过干冰烟雾发生器产生可视烟雾，对烟气的流动进行示踪，可判断烟气的扩散程度和气流作用下的烟气与进风口的干涉性；进风口模拟系统配置1台轴流抽风机，并安装CO2体积分数检测仪探头。

图1 风道试验系统简化模型示例

图2 风道试验系统的关键部位

2 数值计算方法

2.1 基本假设和计算模型

采用通用CFD软件ANSYS Fluent对上述风道烟气扩散试验进行模拟。由于风道气流速度远低于0.3马赫(102.1 m/s)，可设为黏性不可压缩流动，并假定风道内的温度恒定，无热量变化，因此数值计算基于不可压缩流体的雷诺平均动量方程和连续性方程。由于风道内的气流可视为充分发展的湍流流动，因此需要考虑涡旋，在求解雷诺平均动量方程中需要引入双方程湍流模型，参考文献[4]和文献[6]的计算方法，选择Realizablek-ε湍流模型。在流场中不存在随时间变化的边界条件等因素，可选用定常流模型。

采用有限体积法进行数值离散，控制方程的速度压力修正采用SIMPLE Consistent算法，动量项、对流项和扩散项按二阶迎风格式离散。

2.2 计算域和边界条件

根据试验系统进行适度简化的计算域和边界条件如图3所示。计算域按整流段和测试段的几何形状建立，气流入口面至测试段前端的距离为测试段特征尺度(宽度方向)的1.6倍，来流速度恒定，根据试验工况进行调整；后方出口至模拟进风口的距离为测试段特征尺度(宽度方向)的3.0倍；模拟排风口为烟气流入界面，烟气吸入速度恒定。设置风道气流入口、烟气排风口和进风口为速度入口边界条件，风道气流出口设置为压力出口边界，其余壁面设为无滑移固壁边界条件。

图3 计算域和边界条件

2.3 网格划分

整个计算域采用结构化网格进行划分，考虑模拟通风口和风道壁面边界层流动的影响，对模拟通风口周边进行网格加密并在壁面上铺设边界层，通过多次试计算确定满足计算精度要求的网格。计算域网格划分如图4所示，计算域网格总数为1 080 000个。

图4 计算域网格划分

3 外部气流作用下的烟气扩散试验及其数值计算

3.1 试验与计算工况

试验首先研究外部来流速度对烟气扩散程度和CO2体积分数变化的影响，继而考察不同通风口布局条件下的排风口与进风口之间的气流干涉性，并对各试验工况开展CFD计算，与试验结果进行对比。

在外部来流速度对烟气扩散影响的试验中，排风口排气速度和进风口进风速度为3.0 m/s，大风量轴流风机的来流速度v分别为2.0 m/s、5.0 m/s和7.0 m/s。在风口之间气流干涉性试验中，排风口排气速度和进风口进风速度为2.7 m/s，来流速度v=5.0 m/s，对进排风口的相对位置设计3种组合形式，如图5所示。在试验前，测量排风口烟气中的CO2体积分数为3 140×10-6。

图5 进排风口组合形式与相对位置

3.2 外部气流速度对排气效果的影响

进排风口组合形式为a，在排风口排气速度和进风口进风速度为3.0 m/s的条件下，由观察窗看到的3种来流速度下的排风口烟气扩散情况如图6所示。由图6可知：烟气由排风口排出，贴壁向外扩散；在v=2.0 m/s时，烟气轨迹为占据整个风道测试段横向尺度的1/2～2/3；在v=5.0 m/s时，烟气轨迹为占据整个风道测试段横向尺度的1/3～1/2；在v=7.0 m/s时，烟气轨迹为占据风道测试段横向尺度的1/5～1/4。

图6 不同来流速度下的排风口烟气扩散情况

针对上述试验的CFD仿真计算，排风口边界条件设定CO2组分占比为0.003 14(对应体积分数为3 140×10-6)，计算结果由排风口中间位置截取横向切面分析CO2分布扩散情况，不同来流速度下的排风口CO2扩散横切面仿真云图如图7所示。由图7可知：在相同工况条件下，模拟得到的CO2扩散轨迹与对应试验工况的CO2在风道内的扩散轨迹相似。

图7 不同来流速度下的排风口CO2扩散横切面仿真云图

在试验中对排风口后方分别为0.75 m、1.25 m和2.50 m的不同位置x的CO2体积分数分别进行测量。不同来流速度下的各测点CO2体积分数如图8所示。

图8 不同来流速度下的各测点CO2体积分数

对测量结果取平均值，与CFD计算得到的相同位置的CO2体积分数值进行对比，对比结果如表1所示。由表1可知：CFD计算精度随测点至排风口距离的增大(即CO2体积分数减小)有所下降，误差最大值为6.4%。文献[4]和文献[6]的有关烟气扩散数值模拟误差水平为10.0%，证明所采用的数值计算模型与离散方法针对烟气扩散问题具有较高的可靠性。

表1 不同来流速度下的烟气扩散试验各测点CO2体积分数

由排风口后方不同位置x的CO2体积分数试验值可知：在0 m≤x<0.75 m时，CO2体积分数迅速下降，随着风速增大，下降幅度由38.2%扩大至47.5%；在0.75 m≤x<1.25 m时，CO2体积分数下降幅度为19.0%～22.6%；在1.25 m≤x<2.50 m时，CO2体积分数下降趋势减缓，下降幅度为6.9%～15.7%。随着来流速度增大，不同测点的CO2体积分数均随之降低，结合图5可知：x=2.50 m与试验中的进风口位置接近，在外部气流作用下，该位置的烟气残余CO2体积分数分别为排风口的35.9%(v=2.0 m/s)、21.7%(v=5.0 m/s)和17.1%(v=7.0 m/s)。对不同位置的CO2下降幅度随流速变化情况进行分析，在0.75 m≤x<2.50 m时，CO2下降幅度与来流速度没有正相关，这在试验结果与CFD结果中均有所反映。

3.3 通风口布局对外部气流作用下的排气效果的影响

来流速度为5.0 m/s，在排风口排气速度和进风口进风速度为2.7 m/s的条件下，由观察窗看到的3种组合形式下的排风口烟气扩散情况如图9所示。由图9可知：通风口组合形式a、b和c的烟气扩散轨迹约占整个风道测试管道的1/5。

图9 不同组合形式下的排风口烟气扩散情况

对相同工况进行CFD计算仿真，不同通风口组合形式下的排风口CO2扩散横切面仿真云图如图10所示。由图10可知：计算得到的CO2扩散轨迹与对应试验工况的CO2在风道内的扩散轨迹较为接近。

图10 不同组合形式下的排风口CO2扩散横切面仿真云图

将所得试验结果与仿真模拟结果进行对比分析。在试验中对3种组合形式下的进风口CO2体积分数进行测量，测量结果如图11所示。

图11 不同组合形式下的进风口CO2体积分数

对测量结果取平均值，与CFD计算得到的相同位置的CO2体积分数值进行对比，对比结果如表2所示。由表2可知：通风口组合形式a的误差最大，为5.1%；组合形式a的进风口CO2体积分数最大，组合形式c的进风口CO2体积分数最小，两者相差2倍以上。

表2 不同组合形式下的烟气扩散试验进风口CO2体积分数

值得注意的是：基于上述结果无法断定组合形式c对船舶排气效果较为有利。试验针对的实际场景是外部风向与船舶排气口烟气流向相反且风速大于烟气流速的情况。除进风口和排风口处于同一水平位置的工况外，由于进风口和排风口之间基本不会发生烟气干涉，因此在实际设计通风口布局时，应考虑船舶所在航线的环境特征，找出较常出现的风向风速工况，选择合适的通风口布局。

4 结 论

采用试验数据和CFD计算分析船舶通风口在外部气流影响下的排气效果，分析外部气流速度和通风口布局对排气效果即排放的烟气中的CO2分布的影响，具体结论如下：

(1)与以往研究对烟气扩散数值模拟的误差相比，所得到的CO2体积分数试验值与计算值之间的误差更小，仿真模拟的烟气扩散范围和扩散轨迹与试验得到的数据基本相同，证明所采用的数值计算模型与离散方法可较准确地模拟排气扩散过程。

(2)在进风口和排风口风速一定的情况下，来流速度的提高会增大烟气中的CO2体积分数沿流向的衰减速率，并可增强贴壁作用，使烟气轨迹变窄，削弱CO2横向扩散程度。

(3)由进风口和排风口之间不同位置的CO2体积分数可知：在距排风口0.75 m的范围内，CO2体积分数迅速下降，下降幅度随风速增大而增大；在接近进风口的位置，烟气中的残余CO2体积分数为排风口的35.9%～17.1%，随风速增大而减小。

(4)针对不同的通风口组合形式，在进风口和排风口风速一定的情况下，在进风口和排风口处于同一水平位置时，进风口CO2体积分数最大；在进风口和排风口处于上下竖直位置时，进风口CO2体积分数最小。