陸　洋，李建榮，茅陳松

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431)

基于CFD的某船貨艙通風(fēng)環(huán)境分析方法研究

陸洋，李建榮，茅陳松

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431)

摘要:以某船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，驗(yàn)證通風(fēng)設(shè)計(jì)方案中使用的CFD模擬計(jì)算方法是否合理有效。首先根據(jù)船舶艙室通風(fēng)系統(tǒng)的要素和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)艙室通風(fēng)數(shù)值模擬方法;在此基礎(chǔ)上針對某船貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用Aripak軟件模擬計(jì)算，輸出結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求;最后通過對照碼頭和航行實(shí)船試驗(yàn)，模擬值與試驗(yàn)值吻合良好，證實(shí)所用模擬方法的準(zhǔn)確可靠。研究表明，本文提出的CFD模擬方法可有效分析船舶艙室內(nèi)熱環(huán)境，通過結(jié)合通風(fēng)設(shè)計(jì)有助于優(yōu)化設(shè)備選型和實(shí)船配置。

關(guān)鍵詞:貨艙通風(fēng); CFD; Aripak;數(shù)值模擬

Research on the analytic procedures of a vessel cargo bay ventilation based on CFD

LU Yang，LI Jian-rong，MAO Chen-song
(China Satellite Marine Tracking＆Control Department，Jiangyin 214431，China)

Abstract:The research object of the paper is aimed at a vessel cargo bay ventilation to verify the reasonability and validity of the CFD simulation calculation method used in the ventilation design scheme．Firstly，a numerical ventilation method is proposed according to the factors and features of the vessel cabin ventilation system，on the basis of which the simulation calculation by Aripak software is applied in a vessel cargo bay ventilation design scheme，and the outcome meets the requirements．Lastly，compared with the dock and navigation experiment the simulation outcome matches that of the experiment well，confirming the accuracy and reliability of the used method．The study demonstrates that the thermal environment of vessel cabins can be effectively analyzed by the CFD simulation method，which combined with the ventilation design can contribute to the optimization of equipment selection and vessel installation．

Key words:cargo bay ventilation; CFD; Aripak;numerical simulation

0　引言

現(xiàn)代艦船是典型的、龐大的、復(fù)雜的人－機(jī)－環(huán)系統(tǒng)，其中通風(fēng)系統(tǒng)用以建立并維持艙室(機(jī)艙、住艙、貨艙等)內(nèi)所需的環(huán)境條件如空氣溫度、濕度、流速等以保證各類設(shè)備(如柴油機(jī)、鍋爐等)良好運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)也是改善船員生活工作條件的重要措施。隨著艦船人機(jī)環(huán)技術(shù)的發(fā)展，對艙室通風(fēng)性能指標(biāo)的要求越來越高;艙室通風(fēng)設(shè)計(jì)在船舶建造前就應(yīng)實(shí)施數(shù)值模擬，分析氣流組織，做出性能預(yù)測，然后通過調(diào)整設(shè)備配置優(yōu)化方案。然而，傳統(tǒng)的常規(guī)設(shè)計(jì)方法只是基于定性的、經(jīng)驗(yàn)的判斷，缺乏針對性的分析和預(yù)測手段，滿足不了節(jié)能、高效、舒適的設(shè)計(jì)要求。目前，CFD技術(shù)及其應(yīng)用軟件已被大量應(yīng)用于暖通空調(diào)工程領(lǐng)域，可以有效改變單憑經(jīng)驗(yàn)的粗放性，使設(shè)計(jì)更加精細(xì)合理［1－2］。

某首型船采用前傾首柱、球鼻、方尾、雙柴油機(jī)驅(qū)動(dòng)、雙可調(diào)螺距螺旋槳、雙舵、尾橋樓船型，設(shè)置2個(gè)大開口貨艙，配置2臺(tái)全回轉(zhuǎn)重型起重吊，用于運(yùn)輸專用集裝箱。圖1為該本船整體結(jié)構(gòu)。為滿足運(yùn)輸中特殊貨艙環(huán)境控制要求，對本船的貨艙

通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。本文通過研究艙室通風(fēng)計(jì)算方法，采用CFD技術(shù)模擬貨艙通風(fēng)設(shè)計(jì)方案是否滿足要求，并根據(jù)對比實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證模擬結(jié)果是否準(zhǔn)確可靠。

圖1　某船船體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　The diagram of a vessel hull structure

1　某船貨艙通風(fēng)分析

該船的通風(fēng)區(qū)域包括起居生活處所、設(shè)備處所、危險(xiǎn)區(qū)域和貨艙等，所用通風(fēng)類型有自然通風(fēng)、機(jī)械通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)通風(fēng)，針對艙室用途遵循不同原則實(shí)現(xiàn)通風(fēng)目的。根據(jù)貨物運(yùn)輸要求和航行區(qū)域氣候，設(shè)計(jì)要求艙外氣溫50℃以內(nèi)時(shí)，艙內(nèi)集裝箱表面溫度不超過40℃。圖2為貨艙區(qū)域分布圖，它為雙層結(jié)構(gòu)，由中間艙口蓋分隔為4個(gè)獨(dú)立部分。貨艙環(huán)境控制系統(tǒng)組成包括送回風(fēng)、新風(fēng)鹽霧過濾、制冷降溫除濕、加熱升溫減濕、獨(dú)立淡水冷卻和監(jiān)控等分系統(tǒng)。

圖2　貨艙區(qū)域分布圖Fig.2　The profile of the cargo hold area

2　艙室通風(fēng)模擬方法

2.1CFD簡介

CFD是通過數(shù)值計(jì)算和圖像解析對含有流體流動(dòng)和熱量傳導(dǎo)等物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析，已成為暖通空調(diào)領(lǐng)域研究及應(yīng)用的有力工具。它把時(shí)間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定原則和方法建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。

CFD應(yīng)用軟件較多，如Fluent，STAR－CD，Phoenics，Airpak等，其中，Airpak是專門面向HVAC領(lǐng)域的專業(yè)人工環(huán)境系統(tǒng)分析工具，近年來大量應(yīng)用于工程流場的研究，計(jì)算超復(fù)雜空間模型的流動(dòng)傳熱問題。Airpak提供強(qiáng)大的物理模型創(chuàng)建功能和快捷全面的網(wǎng)格處理能力，一般應(yīng)用流程見圖3。首先，將各種物理模型以形象的實(shí)體模型表示，并提供物性數(shù)據(jù)庫;然后，調(diào)用Fluent軟件的處理器進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)及流體流動(dòng)的計(jì)算。本文選取CFD方法對貨艙氣流組織進(jìn)行數(shù)值模擬，預(yù)測艙內(nèi)空氣傳熱流動(dòng)分布情況。

圖3　Airpak的應(yīng)用流程Fig.3　The application procedure of Airpak

2.2艙室通風(fēng)數(shù)值模擬研究

盡管CFD軟件通用性較強(qiáng)，但其計(jì)算結(jié)果是否可靠與使用者對計(jì)算方法的理解以及對具體問題的處理有很大關(guān)系。本文針對船舶艙室通風(fēng)系統(tǒng)，建立如圖4所示的數(shù)值模擬流程。

2.2.1研究對象

首先確定研究對象，明確艙室特點(diǎn)、通風(fēng)類別、環(huán)境條件，并指明待研究的技術(shù)指標(biāo)，如室內(nèi)溫度場、速度場、空氣齡分布等。

2.2.2物理模型

根據(jù)通風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)，考慮模擬工作的復(fù)雜性及可行性、計(jì)算機(jī)內(nèi)存和計(jì)算速度等因素，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，對模擬區(qū)域做適當(dāng)簡化處理，建立接近于真實(shí)情況的模型，包括艙室坐標(biāo)、模型尺寸、內(nèi)部布局、各類組件等。

2.2.3數(shù)學(xué)模型

Airpak在通風(fēng)氣流組織方面提供強(qiáng)迫對流、自

然對流和混合對流模型，流固耦合模型，熱輻射模型，湍流模型等代表性算法工具。根據(jù)流體流動(dòng)特性，當(dāng)雷諾數(shù)大于2 000，瑞利數(shù)大于5×107時(shí)，認(rèn)為流動(dòng)為湍流。湍流模型較適用于船舶艙室通風(fēng)模擬。

圖4　艙室通風(fēng)模擬流程Fig.4　The simulation procedure of the cabin ventilation

Airpak湍流模型有4種: Indoor零方程模型、零方程模型、標(biāo)準(zhǔn)k－ε模型和RNG k－ε模型，需根據(jù)實(shí)際做出選擇。Indoor零方程模型是新的零方程模型，不但可預(yù)測室內(nèi)空氣流態(tài)(包括自然流動(dòng)、機(jī)械流動(dòng)、混合流動(dòng)以及置換通風(fēng))、空氣溫度分布及污染物濃度;而且準(zhǔn)確合理、簡單可靠，計(jì)算收斂速度快、收斂穩(wěn)定性好，對預(yù)測艙室內(nèi)氣流組織的效果很理想［3］。

在CFD領(lǐng)域中，流體流動(dòng)和換熱問題的核心是求解流體控制方程。艙室通風(fēng)系統(tǒng)的氣流流動(dòng)為不可壓流體的定常流動(dòng)，滿足質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律方程。如式(1)～式(5)所示，建立的數(shù)學(xué)模型是以N－S方程組與湍流模型為主體，再加上一些在主體方程組上補(bǔ)充的附加源項(xiàng)、附加輸運(yùn)方程與關(guān)系式的附加模型［2－3］。

1)連續(xù)性方程式中，ui(i = 1，2，3)為空氣速度在x，y，z方向的分量。

2)動(dòng)量方程

式中:ρ為流體密度; p為靜壓; gi為i方向的重力加速度; Fi為污染源引起的源項(xiàng);為黏度;δij為應(yīng)力張量;τij為常數(shù)。

3)能量守恒方程

式中: h為比焓; k為分子熱導(dǎo)率，kt為湍流擴(kuò)散熱導(dǎo)率; T為流體溫度; Sh為體積熱源項(xiàng); Cp為質(zhì)量定壓熱容;μt為湍流黏度; Prt為湍流普朗特常數(shù)。

2.2.4初始條件與邊界條件

根據(jù)對象特征，確立初始條件及邊界條件，若是穩(wěn)態(tài)問題，則不需初始條件。需確立的邊界條件有:風(fēng)口位置，送、回風(fēng)方式和參數(shù)，壁面條件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)，艙室內(nèi)溫度、相對濕度、熱源等。

2.2.5模型求解

Airpak采用CFD控制體積法(CVM，Control Volume Method)對控制模型方程進(jìn)行離散化，其基本思路是將計(jì)算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)互不重復(fù)的控制體積;將待解微分方程(控制方程)對每個(gè)控制體積積分，從而得出一組離散方程。

2.2.6模擬結(jié)果與分析

物理、數(shù)學(xué)模型建立完成，在初始條件和邊界條件下，對模型網(wǎng)格化后進(jìn)行數(shù)值模擬，得到氣流運(yùn)動(dòng)的矢量圖、溫度場和速度場分布圖等，可三維顯示流動(dòng)特性，或以動(dòng)畫演示非定常過程。

3　貨艙通風(fēng)模擬

本船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求和航區(qū)氣候，估算艙室傳熱負(fù)荷、風(fēng)量(式(6)和式(7) )，推算所需設(shè)備負(fù)荷及艙室通風(fēng)量，匯總貨艙通風(fēng)計(jì)算見表1［4－6］。

式中: Q為熱負(fù)荷，w; K為傳熱面的換熱系數(shù)，w/

m2·℃; A為傳熱面面積，m2;ΔT為傳熱面內(nèi)外表面溫差，℃。式中: V為通風(fēng)量，m3/h;ρ為空氣密度，kg/m3; Cp為空氣比熱，kJ/kg·℃;ΔT2為計(jì)算送風(fēng)溫差，℃。

表1　貨艙通風(fēng)計(jì)算匯總Tab.1　The calculation collecting of the cargo hold ventilation

考慮船型、結(jié)構(gòu)、設(shè)備市場選型及裝船要素，較多約束條件使通風(fēng)設(shè)計(jì)調(diào)整空間受限，No.1貨艙(上)和No.2貨艙(上)熱負(fù)荷較大，艙內(nèi)溫度分布受風(fēng)口影響小，較難實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求，所以對這2個(gè)貨艙環(huán)境的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬分析，驗(yàn)證內(nèi)熱環(huán)境是否滿足需求。

圖5　No.1貨艙(上)通風(fēng)物理模型Fig.5　The ventilation configuration of the No．1 cargo hold (upper)

3.1No.1貨艙(上)通風(fēng)模擬

No.1貨艙(上)船首部分空艙內(nèi)設(shè)置2套獨(dú)立空調(diào)機(jī)組，通過前側(cè)艙壁將新風(fēng)送入艙室，具體通風(fēng)布置見圖5，為縱向通風(fēng)方式。每套設(shè)置1個(gè)圓形出風(fēng)口，受市場設(shè)備參數(shù)限制，選用每個(gè)風(fēng)口換風(fēng)量11 000 m3/h，共22 000 m3/h (＞18 000 m3/h)。由于艙內(nèi)熱負(fù)荷主要來自于上表面的日曬艙蓋，因此將送風(fēng)口布置在上部，降低集裝箱上表面的溫度。送風(fēng)口直徑為500 mm，送風(fēng)速度為12.74 m/s;回風(fēng)口位于送風(fēng)口下方，直徑也是500 mm，風(fēng)速均為6.2 m/s。No.1貨艙(上)實(shí)際的換氣次數(shù)為7 c/h。在送風(fēng)口與回風(fēng)口之間設(shè)置一個(gè)自然回風(fēng)口，起到風(fēng)量平衡并模擬實(shí)際運(yùn)行中漏風(fēng)的情況。在艙外氣溫條件最高限值時(shí)，圖6為No.1貨艙(上)集裝箱表面溫度分布模擬結(jié)果，在該方案中，集裝箱表面最高29.2℃，最低21.1℃，滿足溫度分布要求。

圖6　No.1貨艙(上)集裝箱表面溫度分布Fig.6　The temperature distribution of the container surface in the No．1 cargo hold (upper)

圖7　No.2貨艙(上)的通風(fēng)配置Fig.7　The ventilation configuration of the No．2 cargo hold (upper)

送風(fēng)口，右側(cè)布置2個(gè)，左側(cè)1個(gè)。同時(shí)為保證艙壁強(qiáng)度，將送風(fēng)口開成橢圓形狀，截面積為0.161 m2，送風(fēng)速度為19 m/s。回風(fēng)口布置于艙壁下部，為直徑500 mm的圓形，回風(fēng)速度為7.8 m/s。圖8為在艙外氣溫條件最高限值時(shí)，No.2貨艙(上)集裝箱表面溫度分布模擬結(jié)果，在該方案中，集裝箱表面最高30.3℃，最低19.5℃，滿足溫度分布要求。

圖8　No.2貨艙(上)集裝箱表面溫度分布Fig.8　The temperature distribution of the container surface in the No.2 cargo hold (upper)

4　貨艙通風(fēng)效能試驗(yàn)分析

結(jié)合貨艙通風(fēng)模擬計(jì)算結(jié)果，分別在碼頭系泊狀態(tài)和海上航行期間進(jìn)行貨艙通風(fēng)系統(tǒng)效用試驗(yàn)，以檢驗(yàn)通風(fēng)方案是否達(dá)到要求，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的模擬方法是否可靠。試驗(yàn)中3臺(tái)冷水機(jī)組全部開啟運(yùn)行，結(jié)合模擬結(jié)果，多點(diǎn)測試集裝箱表面溫度。實(shí)船試驗(yàn)時(shí)，艙外環(huán)境溫度30℃～41℃、甲板面平均溫度50℃～65℃時(shí)，艙內(nèi)集裝箱表面溫度可控制在16℃～24℃范圍內(nèi)。

圖9　No.1貨艙(上)集裝箱表面溫度分布擬合曲線Fig.9　The temperature distribution curve fitting of the container surface in the No.1 cargo hold (upper)

圖10　No.2貨艙(上)集裝箱表面溫度分布擬合曲線Fig.10　The temperature distribution curve fitting of the container surface in the No.2 cargo hold (upper)

在艙外氣溫條件相同時(shí)，模擬計(jì)算、碼頭試驗(yàn)和航行試驗(yàn)3種情形下No.1貨艙(上)和No.2貨艙(上)集裝箱表面溫度分布擬合曲線見圖9和圖10。在同樣艙外氣溫條件下，模擬結(jié)果和測試結(jié)果主要分布規(guī)律相同，同一測量點(diǎn)的試驗(yàn)值與模擬值基本吻合，最大誤差約為2.5℃，兩者基本一致，驗(yàn)證了該計(jì)算方法模擬貨艙內(nèi)熱環(huán)境的可信性。

5　結(jié)語

本文以某船貨艙通風(fēng)系統(tǒng)為研究對象，應(yīng)用CFD技術(shù)對通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，模擬結(jié)果表明設(shè)計(jì)滿足要求。通過實(shí)船碼頭、航行試驗(yàn)，模擬結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好，證實(shí)了模擬方法的準(zhǔn)確可靠。本文研究表明，通過CFD模擬分析可對通風(fēng)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效驗(yàn)證，提高設(shè)備選型和實(shí)船配置的針對性，不僅有效地保證通風(fēng)效果，還能降低系統(tǒng)建設(shè)及設(shè)備運(yùn)行過程中的成本和能耗。

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作者簡介:陸洋(1978－)，男，工程師，從事船舶動(dòng)力專業(yè)工作。

收稿日期:2014－05－20;修回日期: 2014－06－26

文章編號(hào):1672－7649(2015) 07－0049－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.012

中圖分類號(hào):U662．2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A