陳萬宏 何滔 王光放 陳海光

摘? ? 要：為解決某型海關(guān)緝私艇后機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)給柴油機(jī)曲軸箱帶來的壓差高報(bào)警問題，本文借助ANSYS CFX軟件建立后機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)及改裝方案的仿真模型，并進(jìn)行仿真計(jì)算。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證仿真模型貼近工程實(shí)際，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致、軸箱壓力高報(bào)警現(xiàn)象消失，改裝方案可行有效。

關(guān)鍵詞：ANSYS CFX;仿真

中圖分類號(hào)：U664.8? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract： In order to solve the problem of high pressure differential alarm of crankcase of diesel engine by the ventilation system of stern engine room of a certain type of customs cruiser， this paper establishes the simulation model of engine room ventilation system and its modification scheme with the ANSYS CFX software， and carries out the simulation calculation. It is found that the simulation model is basically close to the engineering practice， and the modification scheme can effectively solve the problem of the high pressure difference of crankshaft. The simulation results are compared with the measured results of the modification scheme of the customs cruiser subsequently built. The simulation results are basically consistent with the measured results， the high pressure alarm phenomenon of crankcase disappears， and the modification scheme is feasible and effective.

Key words： ANSYS CFX software; Simulation

1? ? 前言

某型海關(guān)緝私艇在推進(jìn)柴油機(jī)滿負(fù)載運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)曲軸箱高壓報(bào)警現(xiàn)象。經(jīng)分析和測量，發(fā)現(xiàn)后機(jī)艙處于負(fù)壓狀態(tài)，相對(duì)大氣的負(fù)壓值約為 1 000 Pa。其原因是推進(jìn)柴油機(jī)曲軸箱呼吸器與通往室外的透氣管相連接，由于機(jī)艙存在較大負(fù)壓，造成曲軸箱的廢氣無法排出，使推進(jìn)柴油機(jī)曲軸箱壓力高報(bào)警。

經(jīng)過分析，造成機(jī)艙負(fù)壓與通風(fēng)管布置和通風(fēng)形式有關(guān)，為解決該問題必需對(duì)后機(jī)艙通風(fēng)管路進(jìn)行優(yōu)化改裝，采取取消機(jī)艙送風(fēng)管上的風(fēng)箱和風(fēng)管等措施。為評(píng)估上述優(yōu)化方案的有效性，利用ANSYS CFX有限元軟件對(duì)改裝前、后的后機(jī)艙通風(fēng)情況進(jìn)行模擬計(jì)算，以校核拆除風(fēng)管和風(fēng)箱后，機(jī)艙內(nèi)的風(fēng)壓是否滿足要求。

2? ?通風(fēng)系統(tǒng)概況

某型海關(guān)緝私艇是海關(guān)總署新一代系列船型的一種，也是我院承擔(dān)的又一項(xiàng)批量公務(wù)船設(shè)計(jì)任務(wù)，該型船共建造30艘。

該型艇設(shè)有前、后兩個(gè)機(jī)艙：每個(gè)機(jī)艙設(shè)有2臺(tái)CAT 3516C型推進(jìn)柴油機(jī)（2 240 kW/1 800 r/min）和1臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組（150 kW/1 500 r/min）;前機(jī)艙設(shè)有1臺(tái)燃油熱水爐（加熱量174 kW）;前、后機(jī)艙分別設(shè)置自然通風(fēng)和機(jī)械抽風(fēng)兩種通風(fēng)形式。

在確定該型艇的通風(fēng)形式后，按《柴油機(jī)船舶機(jī)艙通風(fēng)條件設(shè)計(jì)條件和計(jì)算準(zhǔn)則》（CB/T3772-1996）對(duì)前、后機(jī)艙通風(fēng)量進(jìn)行估算，并選取通風(fēng)機(jī)和進(jìn)風(fēng)格柵如下：

（1）機(jī)艙抽風(fēng)機(jī)

（2）進(jìn)風(fēng)格柵

前機(jī)艙左、右風(fēng)道各設(shè)2個(gè)面積為700×800 mm2的進(jìn)風(fēng)格柵，格柵通風(fēng)率為75%，具有氣水分離和關(guān)閉功能;后機(jī)艙左、右風(fēng)道各設(shè)有2個(gè)面積800×1100 mm2的進(jìn)風(fēng)格柵，格柵通風(fēng)率為75%，具有氣水分離和關(guān)閉功能;前機(jī)艙直接進(jìn)風(fēng)艙內(nèi)，后機(jī)艙進(jìn)氣由風(fēng)箱和風(fēng)管輸送至各用氣處所，如圖1所示。

3? ? 通風(fēng)系統(tǒng)建模及仿真

3.1? 仿真軟件

CFX是全球第一個(gè)通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型商業(yè)CFD工程分析軟件，由英國AEA TECHNOLOGY公司開發(fā)，并于2003年被ANSYS公司收購。CFX具有計(jì)算結(jié)果精確、物理模型豐富、用戶擴(kuò)展性強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)，一直引領(lǐng)著CFD技術(shù)的發(fā)展。該軟件已廣泛應(yīng)用于航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械、能源、石油化工、機(jī)械制造、汽車、生物技術(shù)、水處理、火災(zāi)安全、環(huán)保等領(lǐng)域，為全球用戶解決了大量的實(shí)際問題。

ANSYS CF不是單一的軟件，而是由多個(gè)相互配合的軟件模塊構(gòu)成的軟件包。主要包含4個(gè)功能模塊：前處理器（CFX-PRE）;求解器（CFX-SOLVER）;求解管理器（CFX- SOLVER MANAGER）;后處理器（CFD-POST）。

前處理器用于定義求解問題，如流體介質(zhì)屬性、計(jì)算區(qū)域的邊界條件、選用數(shù)學(xué)模型、求解精度、迭代步數(shù)、目標(biāo)殘差等;求解器是CFX模擬計(jì)算的核心程序，在后臺(tái)運(yùn)行，可通過求解管理器來設(shè)置求解器;求解管理器用于監(jiān)視求解進(jìn)程，顯示求解器輸出的求解過程信息;后處理器用于完成計(jì)算結(jié)果的統(tǒng)計(jì)和圖形化處理。

CFX求解的過程主要包括：建立所研究問題模型;設(shè)定邊界條件;選擇求解器;求解及結(jié)果處理等步驟。

3.2? 模型建立

考慮到后機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)和主機(jī)組對(duì)稱布置的情況，為簡化計(jì)算過程建立了半寬后機(jī)艙CFD仿真模型并進(jìn)行仿真。為提高模擬速度，在仿真過程中將通風(fēng)機(jī)、通風(fēng)柵、通風(fēng)口、主機(jī)進(jìn)氣格柵等進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕撼轱L(fēng)風(fēng)機(jī)簡化為流量與表壓的圓孔;自然進(jìn)風(fēng)口簡化為風(fēng)量和壓力的矩形;主機(jī)進(jìn)氣口簡化為出風(fēng)口;風(fēng)管出風(fēng)口簡化為壓力出口。

利用ANSYS Geometry分別建立改進(jìn)前、后仿真模型，如圖2、圖3所示。

3.3 邊界條件

流體的流動(dòng)狀態(tài)主要有兩種形式：層流和湍流。

層流是指流體在流動(dòng)過程中兩層之間沒有相互混摻，而湍流是指流體不是處于層流狀態(tài)。一般來說，湍流是普遍的，而層流則屬于個(gè)別情況。流體流動(dòng)遵循質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等物理定律。

通風(fēng)系統(tǒng)為典型的不可壓縮流體湍流模型，可選用ANSYS CFX進(jìn)行建模及仿真。為了進(jìn)行模擬計(jì)算，將機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為CFD計(jì)算的邊界條件。

作為CFD計(jì)算的邊界條件主要有：入口邊界條件;出口邊界條件;固體壁面邊界條件;對(duì)稱邊界條件;周期性邊界條件等。

（1）入口邊界條件就是指定入口流道變量的值.常見的入口邊界條件有：速度入口邊界條件、壓力入口邊界條件、質(zhì)量流量入口邊界條件。其中速度入口邊界條件適用于不可壓縮流;壓力入口邊界條件既可用于可壓縮流，也可用于不可壓縮流;質(zhì)量入口邊界條件適用于可壓縮流。

（2）出口邊界條件分為速度出口邊界、壓力出口邊界和質(zhì)量出口邊界三種情況。

某型海關(guān)緝私艇機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)模型的邊界條件如下：

入口邊界條件：用于模擬自然進(jìn)風(fēng)，風(fēng)量為10.5 m/s、表壓為大氣壓;

出口邊界條件：用于模擬抽風(fēng)機(jī)，風(fēng)量10.5 m/s、表壓-402 Pa、方向指向機(jī)艙外;

壁面邊界條件：用于模擬主機(jī)吸氣口，風(fēng)量2x5 m/s;

壁面邊界條件：用于模擬風(fēng)管出風(fēng)口，表壓-402 Pa;

對(duì)稱邊界條件：用于模擬左、右對(duì)稱面，風(fēng)量為0 m/s。

3.4? 仿真計(jì)算

建立完仿真模型后，利用CFX-PRE進(jìn)行前處理和劃分網(wǎng)格，并選定求解器。按要求分別設(shè)定計(jì)算模態(tài)、時(shí)間和時(shí)間間隔等參數(shù)，在ANSYS CFX中運(yùn)行兩種通風(fēng)形式的仿真模型，得到有、無風(fēng)管的在X、Y和Z方向的壓力、速度分布情況，如圖4～5所示。

3.5? 仿真計(jì)算結(jié)果分析

由圖4～15可知：當(dāng)風(fēng)管存在時(shí)，后機(jī)艙處于負(fù)壓狀態(tài)，在主機(jī)進(jìn)風(fēng)口附近的負(fù)壓值約為650 Pa、氣流速度約5 m/s;最大負(fù)壓值1.1 kPa，與實(shí)測結(jié)果基本相當(dāng)，證明模型簡化及參數(shù)選取較為接近工程實(shí)際;

當(dāng)風(fēng)管取消后，后機(jī)艙雖然也處于負(fù)壓狀態(tài)，但最大負(fù)壓值下降至約300 Pa，而進(jìn)氣口附近的氣流速度則達(dá)到10 m/s，證明風(fēng)管和風(fēng)箱拆除后可有效改善后機(jī)艙通風(fēng)效果。

3.6? 實(shí)船驗(yàn)證

根據(jù)ANSYS CFX仿真結(jié)果，確定某型海關(guān)緝私艇后機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)改進(jìn)方案如下：拆除后機(jī)艙自然進(jìn)風(fēng)管道和風(fēng)箱，改為直接進(jìn)風(fēng)。

改裝結(jié)束后，按要求進(jìn)行機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)系泊和航行試驗(yàn)，試驗(yàn)實(shí)測后機(jī)艙負(fù)壓值為350 Pa，曲軸箱壓力滿足推進(jìn)柴油機(jī)使用要求，未再出現(xiàn)壓力高報(bào)警，證明改進(jìn)方案可行有效。

4? ?結(jié)論

本文針對(duì)某型海關(guān)緝私艇通風(fēng)系統(tǒng)的實(shí)際配置情況，首先借助ANSYS CFX建立改裝前通風(fēng)系統(tǒng)仿真模型并進(jìn)行適度簡化，確定邊界條件、劃分網(wǎng)格、選定計(jì)算器并進(jìn)行仿真計(jì)算，在有風(fēng)管狀態(tài)計(jì)算結(jié)果與實(shí)船測量結(jié)果基本相符，證明模型簡化和仿真合理，較為貼近工程實(shí)際;之后，建立改裝后的仿真模型，按CFX計(jì)算流程進(jìn)行CFD計(jì)算，將改裝前、后仿真結(jié)果進(jìn)行比較，改裝后的機(jī)艙通風(fēng)效果明顯改善，實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，曲軸箱壓力高報(bào)警現(xiàn)象消失，證明該模擬仿真方法可行，改裝方案可行有效。

參考文獻(xiàn)

[1] ANSYS CFX 14.0 從入門到精通[M]. 清華大學(xué)出版社.