牛明田，劉建軍，蔡林

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

機(jī)艙進(jìn)風(fēng)圍阱阻力特性數(shù)值分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

牛明田1，劉建軍2，蔡林2

1海軍駐大連船舶重工集團(tuán)有限公司軍事代表室，遼寧大連116005 2中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

機(jī)艙進(jìn)風(fēng)圍阱的阻力直接影響電動通風(fēng)機(jī)的工作性能，對機(jī)艙通風(fēng)效果有重要影響。建立進(jìn)風(fēng)圍阱流場離散模型，利用計算流體力學(xué)（CFD）軟件FLUENT求解描述進(jìn)風(fēng)圍阱氣流場的Navier-Stokes方程組，并對機(jī)艙新風(fēng)進(jìn)風(fēng)圍阱的實際結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了阻力特性計算。結(jié)果表明：在對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種合理優(yōu)化后，其通風(fēng)阻力特性都得到了不同程度的改善。通過綜合評估，最終選擇了性價比最高的優(yōu)化方案，優(yōu)化后進(jìn)風(fēng)圍阱的阻力降低了32.73%。

機(jī)艙；通風(fēng)；阻力特性；數(shù)值模擬；計算流體力學(xué)

0 引 言

計算流體力學(xué)的應(yīng)用如今已遍及航空航天、船舶、能源、化工、汽車、生物、水處理、火災(zāi)安全、冶金及環(huán)境等眾多領(lǐng)域，從高層建筑結(jié)構(gòu)通風(fēng)到微電子散熱，從發(fā)動機(jī)、風(fēng)扇、渦輪、燃燒室等旋轉(zhuǎn)機(jī)械到整機(jī)外流氣動分析，可以認(rèn)為只要有流動存在的場合，都可以利用計算流體力學(xué)進(jìn)行分析［1］。船舶機(jī)艙通風(fēng)屬于大空間通風(fēng)，一般有正壓通風(fēng)和負(fù)壓通風(fēng)，與火電站、鍋爐房通風(fēng)系統(tǒng)類似［2-3］。國內(nèi)通過數(shù)值計算方法對機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的研究主要集中于機(jī)艙內(nèi)溫度場分布［4-5］和氣流場組織等方面［6-7］，而忽略了進(jìn)風(fēng)圍阱阻力對電動通風(fēng)機(jī)性能的影響。進(jìn)風(fēng)阻力過大會使得電動通風(fēng)機(jī)偏離最佳運行工況，不僅使風(fēng)機(jī)的運行存在安全隱患，而且還會出現(xiàn)機(jī)艙通風(fēng)量不足，機(jī)艙溫度過高等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響機(jī)艙內(nèi)設(shè)備的安全運行和輪機(jī)操作人員的健康。本文將對實船進(jìn)風(fēng)圍阱及其在不同情況下的優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行阻力特性計算，通過綜合評估選出最合理的圍阱結(jié)構(gòu)。

1 數(shù)學(xué)理論及方法

流體流動過程中都必須遵循某些物理定律，這些定律包括質(zhì)量守恒、動量守恒等。圍繞這些定律，根據(jù)實際物理狀態(tài)規(guī)律建立封閉的流體運動基本方程，求解這些方程組就能總結(jié)出這些流體的流動狀態(tài)和規(guī)律。

1.1 質(zhì)量守恒

質(zhì)量守恒定律是自然界的普遍規(guī)律，流體流動同樣遵循該定律。質(zhì)量守恒定律可以表述為：任何時間內(nèi)流體微元體中增加的質(zhì)量與同一時間內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量相等。因此，可以得出質(zhì)量守恒方程［8］：

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u為流動速度，m/s；i=1，2，3，分別表示坐標(biāo)軸 x，y，z方向。

由于通風(fēng)計算過程中風(fēng)壓比較低，空氣一般可以近似為不可壓縮流體，即密度ρ不隨時間發(fā)生變化，所以連續(xù)方程可以簡化為

1.2 動量守恒

動量方程［8］的一般形式可寫為

2 進(jìn)風(fēng)圍阱阻力數(shù)值計算

2.1 進(jìn)風(fēng)圍阱實船結(jié)構(gòu)建模

為了較為全面地研究機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)圍阱流場的物理特性，流體流動空間的計算區(qū)域模型根據(jù)實船進(jìn)風(fēng)圍阱的尺寸建立。每臺新風(fēng)機(jī)單獨配置1個新風(fēng)進(jìn)風(fēng)圍阱，每個新風(fēng)進(jìn)風(fēng)圍阱配置2個進(jìn)氣裝置。模型構(gòu)建的難點主要在于機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)圍阱實船結(jié)構(gòu)極度不規(guī)則，因此，在劃分計算區(qū)域網(wǎng)格時，如果處理不當(dāng)，會導(dǎo)致計算出現(xiàn)嚴(yán)重的偽擴(kuò)散誤差，影響計算精度。所以在三維建模時對機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)圍阱的實船結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕幚?，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 進(jìn)風(fēng)圍阱結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of air inlet well

圖1中箭頭的方向表示新風(fēng)的流動方向，從圖中可以看出每個進(jìn)風(fēng)圍阱有2個進(jìn)氣裝置，2個進(jìn)氣裝置下面的空間由2個孔相連，以便氣流流動。為了降低建模的復(fù)雜程度和計算過程中的偽擴(kuò)散程度，在建模的過程中將孔按照面積等效的原則簡化為長方體的結(jié)構(gòu)；將球扁鋼結(jié)構(gòu)簡化為長方體結(jié)構(gòu)。

2.2 進(jìn)風(fēng)圍阱實船結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

由于實船進(jìn)風(fēng)圍阱幾何結(jié)構(gòu)極度不規(guī)則，盡管建模過程中進(jìn)行了許多假設(shè)和簡化，還是給網(wǎng)格的劃分帶來了很大的困難。為了獲得高質(zhì)量的計算網(wǎng)格，采用分區(qū)域網(wǎng)格劃分方法。在幾何結(jié)構(gòu)規(guī)則的區(qū)域采用六面體網(wǎng)格；在幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則的區(qū)域采用四面體網(wǎng)格；在流場物理特性變化劇烈的區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格細(xì)化，以便更好地計算其流場的物理特性。同時考慮到節(jié)省計算資源和時間，經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)化驗證后，最終將網(wǎng)格數(shù)量控制在90萬～100萬之間（圖2）。

圖2 進(jìn)風(fēng)圍阱網(wǎng)格Fig.2 Grid of air inlet well

2.3 邊界條件

空氣的密度、壓力和流量按照設(shè)計狀態(tài)設(shè)置；計算過程中由于壓力變化較小，所以空氣介質(zhì)按照不可壓縮流體處理。進(jìn)氣裝置入口采用質(zhì)量流量入口邊界條件為均勻入流面，垂直于進(jìn)氣裝置入口面入流；計算區(qū)域的后面設(shè)置為出口，采用out flow出口邊界條件；計算區(qū)域的外圍壁面設(shè)置為無滑移固體壁面，在近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)［9］。

2.4 進(jìn)風(fēng)圍阱實船結(jié)構(gòu)模擬結(jié)果

模擬中采用不可壓縮計算模型，并采用基于壓力耦合的計算方法；采用realizablek-ε雙方程模型計算湍流流動［10］。

從圖3的速度分布中可以基本看出新風(fēng)在進(jìn)風(fēng)圍阱中的流動軌跡，在進(jìn)風(fēng)圍阱結(jié)構(gòu)較小的部位速度最大。在兩根球扁鋼之間的區(qū)域里會出現(xiàn)新風(fēng)的旋轉(zhuǎn)流動，存在較大的能量耗散。進(jìn)風(fēng)圍阱與船體外板組成的死區(qū)里也存在新風(fēng)的旋轉(zhuǎn)流動，造成了較大的新風(fēng)流動阻力。2處通風(fēng)孔的面積較小，也造成了很大的流動阻力，壓力分布如圖4所示。

圖3 進(jìn)風(fēng)圍阱中截面速度分布Fig.3 Distribution of velocity in middle section

圖4 進(jìn)風(fēng)圍阱中截面總壓分布Fig.4 Distribution of total pressure in middle section

3 進(jìn)風(fēng)圍阱阻力優(yōu)化數(shù)值計算

3.1 進(jìn)風(fēng)圍阱實船結(jié)構(gòu)建模

與實船結(jié)構(gòu)相比，從圖5可以看出，優(yōu)化方案1中假設(shè)用鋼板鋪設(shè)在球扁鋼上面，即對球扁鋼部分進(jìn)行光順處理來減少新風(fēng)的進(jìn)風(fēng)流動阻力。

圖5 優(yōu)化方案1Fig.5 Structure of modified scheme 1

與實船結(jié)構(gòu)相比，優(yōu)化方案2做了比較大的優(yōu)化，從圖6中可以看出有2處優(yōu)化：首先在原來2個通風(fēng)孔的基礎(chǔ)上新增加了2個通風(fēng)孔，以增加新風(fēng)的流通面積，減小新風(fēng)的流動阻力；其次，用鋼板把原來通風(fēng)圍阱與船體外板的死角鋪平，以達(dá)到光順進(jìn)風(fēng)圍阱、降低新風(fēng)流動阻力的目的。

圖6 優(yōu)化方案2Fig.6 Structure of modified scheme 2

從圖7中可以看出優(yōu)化方案3在優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上用鋼板鋪設(shè)在球扁鋼上面，即對球扁鋼部分進(jìn)行光順處理來減少新風(fēng)的進(jìn)風(fēng)流動阻力。

圖7 優(yōu)化方案3Fig.7 Structure of modified scheme 3

從圖8中可以看出優(yōu)化方案4在優(yōu)化方案3的基礎(chǔ)上，在進(jìn)風(fēng)圍阱直角轉(zhuǎn)彎的外角處進(jìn)行了倒角光順處理，即對圍阱進(jìn)行光滑過渡來減少新風(fēng)在死角處的能量耗散，以達(dá)到降低新風(fēng)流動阻力的目的。

圖8 優(yōu)化方案4Fig.8 Structure of modified scheme 4

3.2 進(jìn)風(fēng)圍阱優(yōu)化結(jié)構(gòu)模擬

從圖9中可以看出對球扁鋼進(jìn)行光順優(yōu)化后，新風(fēng)在圍阱中的流動阻力相對減少，新風(fēng)順著船體結(jié)構(gòu)沖向船體外板，上升繞過船體外板進(jìn)入豎直圍阱。這樣在船體外板處形成了較大的回流區(qū)，造成了較大的能量耗散和壓力損失。

圖9 優(yōu)化方案1中截面總壓分布Fig.9 Distribution of total pressure in middle section of modified scheme 1

優(yōu)化方案2對船體外板的死區(qū)進(jìn)行了光順處理，從圖10的壓力分布中可以明顯看出新風(fēng)流動壓力場較為均勻，壓力損失相對減小。

圖10 優(yōu)化方案2中截面總壓分布Fig.10 Distribution of total pressure in middle section f modified scheme 2

優(yōu)化方案3是在優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上對球扁鋼進(jìn)行了光順處理，從圖11中可以看出新風(fēng)流動的壓力場變得更均勻，壓力損失更小。

圖11 優(yōu)化方案3中截面總壓分布Fig.11 Distribution of total pressure in middle section of modified scheme 3

優(yōu)化方案4在優(yōu)化方案3的基礎(chǔ)上對圍阱直角轉(zhuǎn)彎的外側(cè)進(jìn)行了倒角光順處理，從圖12中可以看出在倒角光順處理處新風(fēng)壓力場變得非常均勻，減小了新風(fēng)在直角轉(zhuǎn)彎處的漩渦流動，降低了能量的渦旋耗散。

圖12 優(yōu)化方案4中截面總壓分布Fig.12 Distribution of total pressure in middle section of modified scheme 4

4 優(yōu)化方案對比分析

實船進(jìn)風(fēng)圍阱結(jié)構(gòu)和各種優(yōu)化結(jié)構(gòu)在滿負(fù)荷風(fēng)量下的阻力特性如圖13所示，阻力降低百分比如圖14所示。從圖中可以看出，實船結(jié)構(gòu)圍阱的阻力最大，為495 Pa。優(yōu)化方案1通過對球扁鋼部分進(jìn)行光順處理來減少新風(fēng)的進(jìn)風(fēng)流動阻力，效果也比較明顯，阻力為428 Pa，降低了13.54%。優(yōu)化方案2通過光順進(jìn)風(fēng)圍阱和船體外板圍成的死區(qū)，以及增加新風(fēng)通風(fēng)孔來減小新風(fēng)的流動阻力，阻力為391 Pa，降低了21.01%。優(yōu)化方案3是在優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化整改，阻力為333 Pa，降低了32.73%。優(yōu)化方案4的優(yōu)化程度最高，其阻力也最小，為328 Pa，降低了33.74%，但其施工量大，且施工困難。優(yōu)化方案3與方案4相比，其施工量較小，且施工相對容易，施工后對原來進(jìn)風(fēng)圍阱結(jié)構(gòu)的改變較小，不會對以后進(jìn)風(fēng)圍阱的維修和清洗帶來不便，所以是一種切實可行的方案。

圖13 流動阻力對比Fig.13 Comparison of flow resistance

圖14 流動阻力降低百分比Fig.14 Percentage of reduced flow resistance

5 結(jié) 語

本文通過數(shù)值模擬的方法對機(jī)艙新風(fēng)進(jìn)風(fēng)圍阱的實際結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。結(jié)果表明：在對船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種合理優(yōu)化后，其通風(fēng)阻力特性都得到了不同程度的改善。通過阻力降低程度和優(yōu)化施工量的綜合評估，最終選擇了性價比最高的優(yōu)化方案，優(yōu)化后進(jìn)風(fēng)圍阱的阻力降低了32.73%。同時，也為后續(xù)船舶機(jī)艙進(jìn)風(fēng)圍阱的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了有力的理論依據(jù)。

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Numerical Simulation of Engine Room Inlet Well Resistance Characteristics and Structural Optimization

NIU Mingtian1，LIU Jianjun2，CAI Lin2

1 Naval Military Representative Office in Dalian Shipbuilding Industry Co.Ltd.，Dalian 116005，China 2 China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

The resistance of engine room air inlet wells directly affects the electric blower performance，which has a major impact on cabin ventilation.To address the issue，this paper establishes a discrete nu?merical model for the flow field of a ship air inlet well.Specifically，the Navier-Stokes equation is first solved using FLUENT，and the resistance characteristics of the actual engine room fresh air inlet well as well as its optimized structure are then calculated.The results show that by applying various optimization schemes on the hull structure，its ventilation resistance characteristics can be improved to some extent.Fi?nally，through comprehensive assessment，the most cost effective optimization scheme is determined，and the corresponding ventilation resistance is reduced by 32.37%.

engine room；ventilation；resistance characteristic；numerical simulation；Computational Fluid Dynamics（CFD）

10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.015

http://www.cnki.net/kcms/doi/10.3969/j.issn.1673-3185.2014.02.015.html

U664.3

A

1673－3185（2014）02－84－05

期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

2013－10－11 網(wǎng)絡(luò)出版時間：2014-3-31 16:33

牛明田（1971－），男，高級工程師。研究方向：艦船動力系統(tǒng)設(shè)計。E-mail：niuxianren@sina.com

劉建軍（1985－），男，碩士，助理工程師。研究方向：艦船動力系統(tǒng)設(shè)計。E-mail：liujianjun_1@163.com

劉建軍

［責(zé)任編輯：胡文莉］