黃少雄， 竇培林， 溫海濤

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.廣州打撈局， 廣東 廣州515206)

0 引 言

傳統(tǒng)大型客船的上層建筑設(shè)計只考慮了上層建筑的使用功能，沒有考慮上層建筑外形的氣動性能，使得甲板上層建筑多為鈍體[1]。在氣流流過甲板上層建筑時，原本平穩(wěn)流動的氣流組織被破壞，在上層建筑后方形成紊流和渦流區(qū)，煙霧易被卷入在煙囪背部形成的渦流區(qū)域，甚至可能出現(xiàn)甲板落塵，不利于煙霧排放，因此需對甲板上層建筑氣流場結(jié)構(gòu)對煙霧擴(kuò)散的影響進(jìn)行研究。

現(xiàn)代船舶煙囪的趨勢是高度低、體積大、外形光滑，這些特征經(jīng)常導(dǎo)致煙霧下洗。煙霧下洗是指煙囪附近的渦旋運(yùn)動造成的煙羽在背風(fēng)面向下混合的現(xiàn)象。煙霧下洗降低了煙霧的源高，使上層建筑附近煙霧濃度升高。

本文采用CFD數(shù)值模擬方法，研究大型客船煙霧與上層建筑的相互作用，分析湍流區(qū)域、速度比k(0.5、1.0、1.5、2.0)、偏航角φ(0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°)對煙霧擴(kuò)散特性的影響。

1 數(shù)值計算理論

數(shù)值分析基于(N-S)方程[2]求解不可壓縮牛頓流體，其形式為

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式中：ρ為流體密度；Fx、Fy、Fz為單位體積上的質(zhì)量力在x、y、z方向上的分量；u、v、w為3個方向上的速度分量；pij為單位體積上應(yīng)力張量的分量；t為時間。

任何流動都必須滿足質(zhì)量守恒定律，該定律可描述為單位時間內(nèi)流體微元體中質(zhì)量的增加，等于同一時間間隔內(nèi)流入該微元體的凈質(zhì)量。按照這一定律,質(zhì)量守恒方程為

(2)

本文計算采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，k、ε輸運(yùn)方程為

(3)

(4)

2 煙霧擴(kuò)散機(jī)理

2.1 船舶煙囪周圍氣體流動

為了觀察在船舶煙囪周圍的氣體流動狀態(tài)，將煙囪視為長圓柱體。當(dāng)理想氣體流過煙囪時，流速增加，這導(dǎo)致相應(yīng)的動能增加，壓力減小。理想氣體通過圓柱的最大寬度處，動能處于最大值，并且在圓柱尾部回歸到初始流動狀態(tài)。然而，空氣不是理想氣體，作為真實的氣體，它具有黏度，流過圓柱時會產(chǎn)生動能損失，流動被迫分離，因此在圓柱后部的流動狀態(tài)不同于初始流動狀態(tài)。在其流動分離形成的區(qū)域，其壓力低于自由流但高于其周圍的快速移動的區(qū)域，最終在圓柱尾部形成渦旋。渦旋隨著自由流動的氣體向下游流動并緩慢破裂，這導(dǎo)致渦旋的質(zhì)量增加且動量降低，最終渦旋完全破裂，流動不再遵循任何特定的模式。研究表明，當(dāng)渦不斷增長、擺動加強(qiáng)且不穩(wěn)定的對稱渦旋破碎時，會形成周期性交替脫落的卡門渦街，如圖1所示。船舶煙囪煙霧擴(kuò)散是非常復(fù)雜的，除了與煙囪本身的結(jié)構(gòu)形狀有關(guān)外，還跟湍流區(qū)域、速度比、偏航角等3個因素有關(guān)。

圖1 卡門渦街

2.2 湍流區(qū)域

船舶上層建筑湍流區(qū)域是煙霧擴(kuò)散問題的一個重要因素。湍流區(qū)域的高度主要由上層建筑的幾何形狀決定。文獻(xiàn)[3-5]研究由船舶上層建筑結(jié)構(gòu)引起的湍流問題和解決煙霧污染問題的方法。文獻(xiàn)[6]給出湍流區(qū)域高度的估算方法，這種方法適用具有正常比例的上層建筑的船舶，但不能代替風(fēng)洞試驗。湍流區(qū)的近似高度可以通過以下公式確定：

T=αH

(5)

式中：T為湍流區(qū)域高度；α為基于上層建筑前部形狀因素，方形邊界α=1.0，圓形邊界(大部分的現(xiàn)代船舶)α=0.8；高度H為上層建筑的“有效高度”。

2.3 速度比

速度比k定義為VE/VW，其中：VE為煙霧速度；VW為風(fēng)速。同一艘船改變主機(jī)的輸出功率和風(fēng)速，速度比變化很大?；陲L(fēng)洞試驗研究，SHERLOCK等[7]提出，在相同的k值下，不同的煙囪設(shè)計煙霧上升高度差異很大，同時指出k是下洗現(xiàn)象的決定因素。SHERLOCK等[8-9]的早期風(fēng)洞試驗提出公認(rèn)的規(guī)則，即如果煙囪頂部的速度比為1.5或更大，則下洗現(xiàn)象不會發(fā)生或非常輕微。

2.4 偏航角

偏航角φ是風(fēng)相對于船舶航向的角度。船舶在風(fēng)速VW下以一定的速度Vship航行，船舶上層甲板上的風(fēng)被定義為Vwod，矢量和為Vwod=VW-Vship，方向由偏航角φ定義，如圖2所示。偏航角也影響煙囪周圍的湍流區(qū)域和下洗。通常，船舶煙囪的高度大于煙囪的寬度，因此船舶航向改變，煙囪周圍的流動模式也會發(fā)生改變。對于單個煙囪的船舶來說，偏航角在15°～60°時，煙囪排放效率逐漸下降，60°～90°時，排煙效率逐漸提高。這種變化是由煙囪周圍氣流組織的改變引起的。

圖2 偏航角

3 數(shù)值模型

本文采用的計算模型船長266 m、船寬48 m、型深25 m、吃水8 m、上層建筑高度15 m，煙囪高度10 m，由于本文主要研究煙霧與上層建筑的相互作用，不考慮水線以下部分，幾何模型如圖3所示。

圖3 船舶模型

文獻(xiàn)[10]給出艦船氣流場數(shù)值模擬計算域的設(shè)定范圍，本文選取的計算域前后邊界距船首和船尾均為2倍的船長，左右邊界距船中縱剖面6倍的船寬，高度為水面最大高度的6倍。為了減少網(wǎng)格數(shù)量和計算時間采用混合網(wǎng)格劃分計算域，即將計算域劃分為2個域：外域和包含船體的內(nèi)域，如圖4所示。內(nèi)域采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，外域采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，如圖5所示。

圖4 計算域

圖5 計算域網(wǎng)格劃分

大型船舶航行時，氣流組織比較復(fù)雜，本文簡化計算工況，假定船舶在無風(fēng)條件下以20 kn的航速直航，邊界條件：入口為速度入口，出口為壓力出口；煙囪頂部設(shè)置為速度入口,煙霧以空氣代替，選擇合適的煙氣速度確保速度比k為0.5、1.0、1.5、2.0；左右面和底面都設(shè)置為無滑移壁面。如圖6所示。

圖6 邊界條件

4 結(jié)果分析

(1) 速度比k的影響

如圖7所示，在偏航角度φ=0°時，可以清楚地看到4種不同的速度比值k=0.5、1.0、1.5、2.0對煙霧擴(kuò)散的影響。隨著速度比的增大，煙霧的動量增大，煙霧上升的高度也隨之增加，煙霧下邊界與甲板之間的距離增大。煙霧在水平來流的作用下，向水平方向彎曲，最終運(yùn)動流動方向與來流的流動方向一致。當(dāng)k=0.5時，產(chǎn)生輕微的下洗現(xiàn)象；當(dāng)k=1.0、1.5、2.0時，沒有下洗現(xiàn)象產(chǎn)生。如圖8所示，排除煙囪本身的局部空氣動力學(xué)干擾，發(fā)現(xiàn)煙霧擴(kuò)散是對稱的，原因是上層建筑關(guān)于船舶中縱剖面對稱，因此當(dāng)船舶迎風(fēng)直航時氣流組織也應(yīng)該關(guān)于中縱剖面對稱。

圖7 φ=0°時速度比k對煙霧擴(kuò)散的影響

圖8 煙霧擴(kuò)散對稱分布

(2) 偏航角φ的影響

在k= 1時，不同偏航角0°、10°、15°、20°、25°、30°的煙霧速度流線圖如圖9所示，隨著偏航角度的增大煙氣上升高度逐漸減小。偏航角φ=10°可以明顯地觀察到煙氣向下彎曲的趨勢，φ=15°時趨勢更加明顯。在偏航角φ=20°時，煙霧卷入煙囪背部形成的渦旋，煙囪后面的煙氣濃度呈增加趨勢，擴(kuò)散至艉部甲板，產(chǎn)生下洗現(xiàn)象，主要原因是當(dāng)偏航角度增大，原來穩(wěn)定的氣流組織模式被破壞，導(dǎo)致上層建筑氣流組織混亂。偏航角度20°～30°范圍內(nèi)不利于煙霧的排放，所有有利于煙霧排放的因素都消失了。在這些不利偏航角的范圍內(nèi)，煙囪周圍混亂的氣流組織導(dǎo)致下洗現(xiàn)象的發(fā)生。煙囪的排放性能隨著偏航角從15°增加至30°而減弱。

圖9 k=1時偏航角對煙霧擴(kuò)散的影響

(3) 偏航角φ=30°時速度比k的影響

圖10 a)所示為φ=0°時煙囪頂部的速度云圖，在φ=0°時氣流組織關(guān)于船舶中縱剖面對稱，圖中速度較大的區(qū)域是因為氣流流經(jīng)船體時，上層建筑與煙囪的存在導(dǎo)致橫截面積減小，流速增大。然而，一旦船開始轉(zhuǎn)向，氣流對稱模式就被破壞，φ=30°時煙囪頂部氣流組織如圖10 b)所示，氣流組織分布非?；靵y。選取偏航角φ=30°為研究對象，因為在φ=30°時下洗現(xiàn)象非常嚴(yán)重，同時氣流組織也非?；靵y，φ=30°時速度比k對煙霧擴(kuò)散的影響如圖11所示。在k=0.5時和k=1.0時有明顯的下洗現(xiàn)象，尤其在k=0.5時，煙霧直接擴(kuò)散到艉部甲板，主要原因是船舶轉(zhuǎn)向造成上層建筑原本平穩(wěn)對稱流動的氣流組織被破壞，同時煙霧的速度較低，煙霧上升的高度還沒有離開上層建筑產(chǎn)生的湍流區(qū)域就被卷入煙囪后部的渦流區(qū)，向甲板擴(kuò)散。在k=1.5和k=2.0時煙霧動量的增加能夠克服煙囪背部渦旋的吸力，在煙霧向水平方向彎曲之前，上升至更大高度，煙霧以更高的高度通過甲板，下洗現(xiàn)象非常輕微。

圖10 煙囪頂部速度云圖

圖11 φ=30°時速度比k對煙霧擴(kuò)散的影響

速度比k和偏航角對下洗現(xiàn)象的影響如表1所示。從表1可以看出：當(dāng)k=0.5和1.0時，在偏航角的不利范圍內(nèi)容易產(chǎn)生煙霧下洗現(xiàn)象；當(dāng)k=1.5和2.0時，煙霧動量的增加能夠克服煙囪背部渦旋的吸力，煙霧以離甲板更高的距離通過艉部甲板，沒有下洗現(xiàn)象產(chǎn)生。

表1 下洗現(xiàn)象

5 結(jié) 論

本文主要針對空氣與上層建筑相互作用產(chǎn)生的氣流場對煙霧擴(kuò)散的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬。計算結(jié)果表明：對于三維速度分布的預(yù)測，CFD 可以給出比較準(zhǔn)確的計算結(jié)果。通過對湍流區(qū)域、速度比、偏航角的分析得出以下結(jié)論：

(1) 隨著速度比的增大，煙霧的動量增大，煙霧上升的高度也隨之增加，煙霧下邊界與甲板之間的距離增大。

(2) 偏航角度φ=0°時，排除煙囪本身的局部空氣動力學(xué)干擾，發(fā)現(xiàn)煙霧對稱擴(kuò)散。

(3) 偏航角φ超過15°可以明顯地觀察到在煙囪背部開始產(chǎn)生下洗現(xiàn)象。

(4) 通過增加煙霧的動量可以克服在偏航角不利范圍內(nèi)的下洗問題。