朱聞陽,王萬勇,孫瑜

(1.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院,上海 201306;2.上海和創(chuàng)船舶工程有限公司,上海 200126)

我國(guó)南極磷蝦船開發(fā)起步較晚,缺乏設(shè)計(jì)、建造類似船舶的經(jīng)驗(yàn),也缺乏專業(yè)捕撈系統(tǒng)、船載加工裝備設(shè)計(jì)、制造技術(shù)[1-3]。采用較低的溫度(-30℃及以下)凍藏可以最大限度保持南極磷蝦的品質(zhì),但在儲(chǔ)存、流通過程中,由于冷凍儲(chǔ)存設(shè)備故障造成的貨艙溫度大幅度波動(dòng)的情況并不少見[4]?？煽康呢浥撛诹孜r加工工藝中起著關(guān)鍵作用,有必要開展貨艙高效冷凍技術(shù)的研究。如若磷蝦船貨艙冷空氣流場(chǎng)不合理,將引起貨艙溫度不均勻等問題,且采用傳統(tǒng)方法測(cè)流場(chǎng),時(shí)間長(zhǎng),成本高,結(jié)果不可靠[5]。當(dāng)下我國(guó)現(xiàn)役的南極磷蝦船多為國(guó)外的二手船,有關(guān)其核心建造技術(shù),很難找到公開文獻(xiàn)。為設(shè)計(jì)出合理的專業(yè)南極磷蝦船貨艙冷空氣流場(chǎng),利用Fluent軟件對(duì)某新建專業(yè)南極磷蝦船貨艙的空氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真,根據(jù)仿真結(jié)果,通過調(diào)整擋風(fēng)板數(shù)量、長(zhǎng)短等參數(shù),探討南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

1 研究對(duì)象

1.1 貨艙三維模型

整理南極磷蝦船實(shí)船貨艙的CAD圖紙獲得貨艙主要參數(shù)(見表1),并根據(jù)表1中的主要參數(shù)在Solidworks中建立該貨艙的三維模型(見圖1),三維模型包括艙室墻壁、擋風(fēng)板、壁柱、通風(fēng)小孔、通風(fēng)地板等結(jié)構(gòu)。

圖1 貨艙三維模型

表1 貨艙主要參數(shù)表

1.2 貨艙工作原理

貨艙采用冷風(fēng)機(jī)強(qiáng)制循環(huán)通風(fēng),貨艙內(nèi)設(shè)置專用的冷風(fēng)機(jī)室,內(nèi)部設(shè)置滿足制冷量要求的冷風(fēng)機(jī),并在貨艙頂部設(shè)置回風(fēng)格柵。冷風(fēng)機(jī)組在工作時(shí)入口為負(fù)壓,出口為正壓。貨艙通風(fēng)地板上方的熱空氣會(huì)被入口處的負(fù)壓抽吸,經(jīng)回風(fēng)格柵進(jìn)入到冷風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)進(jìn)行冷卻,充分冷卻后的冷氣經(jīng)冷風(fēng)機(jī)出口處的正壓送出,穿過通風(fēng)地板上的若干小孔進(jìn)入貨艙,與通風(fēng)地板上方的空氣以及貨包換熱升溫后到達(dá)貨艙的上方,再被冷風(fēng)機(jī)吸入進(jìn)行冷卻,這樣循環(huán)以達(dá)到冷卻貨艙的效果。

2 數(shù)值模型的建立

2.1 網(wǎng)格劃分

南極磷蝦船貨艙總網(wǎng)格數(shù)為356萬,貨艙空間分為通風(fēng)地板上、下方空間、連接通風(fēng)地板上、下方空間的開孔,以及通風(fēng)處的過渡空間3個(gè)部分(見圖2),先采用四面體網(wǎng)格對(duì)貨艙各部分空間獨(dú)立劃分,通風(fēng)地板上、下方空間的網(wǎng)格數(shù)分別為201萬和149萬,過渡空間的網(wǎng)格數(shù)為6萬,再將劃分網(wǎng)格后的各部分空間拼接到一起形成一個(gè)完整的冷空氣流動(dòng)空間。

圖2 貨艙空間分割

以溫度、速度和相對(duì)壓強(qiáng)為評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)上面劃分的網(wǎng)格進(jìn)行無關(guān)性驗(yàn)證。設(shè)置3組密度不同的網(wǎng)格,其尺寸依次減小1/4,將這三組網(wǎng)格按照密度的大小依次命名為S、M和L,對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格數(shù)分別是278萬、546萬和972萬。為保證數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性,沿貨艙的某一風(fēng)道從近風(fēng)端至遠(yuǎn)風(fēng)端依次設(shè)置4個(gè)等距的監(jiān)測(cè)點(diǎn),分別編號(hào)1～4,各點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)

分析表2中的數(shù)據(jù)可知,各監(jiān)測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)空氣的壓力場(chǎng)、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)相差不大,這表明網(wǎng)格密度對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果影響較小。

2.2 湍流模型

考慮到RNGk-ε模型與標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型相比,得到的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確,在處理應(yīng)變率高及流線彎曲程度較大的流動(dòng)方面有優(yōu)勢(shì)[6]。因此,在模擬中選用RNGk-ε模型作為湍流模型。引入以下假設(shè)：①貨艙通風(fēng)口空氣流速較均勻;②因貨艙壁四周敷設(shè)不銹鋼面板的保溫材料,艙頂也加涂了保溫涂料,在實(shí)際工況下,除送、出風(fēng)口和開關(guān)門外,貨艙密閉性較好,所以在模擬中忽略漏風(fēng)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響;③由于艙內(nèi)氣體馬赫數(shù)不高,密度變化波動(dòng)不大,基本符合布辛涅司克假設(shè)。

2.3 邊界條件

按照實(shí)際工況設(shè)計(jì)邊界條件：①將貨艙的各壁面按照實(shí)際熱力學(xué)參數(shù)輸入,貨艙各壁面熱力學(xué)參數(shù)見表3。采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行近壁處理,將對(duì)流熱傳導(dǎo)條件作為壁面條件;②速度入口邊界為冷氣入口,壓力出口邊界為回風(fēng)口,兩者溫度設(shè)為-35 ℃,艙內(nèi)空氣流量設(shè)為72 000 m3/h。

表3 貨艙壁面熱力學(xué)參數(shù)

2.4 數(shù)值計(jì)算原理及設(shè)置

基于軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,選擇干空氣作為流體介質(zhì),其密度為1.484 kg/m3,比熱為1.013 kJ/(kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)為0.021 5 W/(m·℃)。模擬中的數(shù)學(xué)模型由湍流動(dòng)能k方程,湍流耗散率ε方程和流體力學(xué)3大方程組成。質(zhì)量以及動(dòng)量守恒方程的半離散形式廣義控制方程為,在熱傳導(dǎo)方面考慮Fourier定律和牛頓冷卻定律。對(duì)上述數(shù)學(xué)模型的離散求解運(yùn)用有限體積法,在進(jìn)行數(shù)值計(jì)算前速度、壓力的耦合應(yīng)用SIMPLE算法實(shí)現(xiàn),初始化并開始計(jì)算,待計(jì)算結(jié)果收斂后再處理分析。

(1)

式中：下標(biāo)0為當(dāng)前控制單元;ρ為流體密度;u為速度矢量;V為控制單元體體積;f為構(gòu)成控制單元的面元;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù);Sφ為廣義源項(xiàng);a為面元的面積矢量;φ為面元中心位置的任意流體物理量,將φ定義為速度、壓力等物理量,并選擇合理的擴(kuò)散系數(shù)Γ和源項(xiàng)S,可以獲得質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程。

(2)

式中：Q為熱流量;λ為導(dǎo)熱系數(shù);“-”表示熱量傳遞方向和溫度升高方向相反;A為導(dǎo)熱面積;dt/dx為沿?zé)崃鞣较虻臏囟忍荻取?/p>

Φ=qA=AhΔt

(3)

式中：Φ為傳熱功率;q為熱流密度;A為傳熱面積;h為物質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù);Δt為流體與壁面的溫度差。

模擬計(jì)算中的溫度場(chǎng)云圖單位均采用熱力學(xué)溫度(K)。

3 數(shù)值計(jì)算與優(yōu)化

3.1 貨艙通風(fēng)上方空間模擬計(jì)算結(jié)果

該專業(yè)南極磷蝦船貨艙的設(shè)計(jì)溫度是-35 ℃,采用2.4中的數(shù)值模型對(duì)貨艙處于空艙狀態(tài)下通風(fēng)地板上方空間的空氣流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真與分析,選取貨艙的50%高度(H=1.35 m)水平剖面作為展示面,見圖3。

分析圖3可知,出風(fēng)口和回風(fēng)口的壓差在9～15 Pa,貨艙通風(fēng)上方空間的邊緣處存在少量的通風(fēng)死角。這些邊緣區(qū)域的冷空氣流速相較于正常流速低0.8～0.9 m/s,但貨艙通風(fēng)上方空間的整體溫度場(chǎng)較均勻,所以著重對(duì)貨艙通風(fēng)下方空間的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。

3.2 貨艙通風(fēng)下方空間模擬計(jì)算結(jié)果

對(duì)貨艙通風(fēng)下方空間進(jìn)行模擬計(jì)算,根據(jù)計(jì)算結(jié)果找出貨艙通風(fēng)下方空間的送風(fēng)死角和溫度不均勻處并進(jìn)行優(yōu)化,展示面以50%貨艙地板下方高度(H=0.11 m)剖面為例。貨艙通風(fēng)下方空間優(yōu)化前后的模型、流場(chǎng)、溫度場(chǎng),見圖4～6。優(yōu)化方案分2步：①由于圖4左上線框內(nèi)擋風(fēng)板的左側(cè)沒有進(jìn)風(fēng)口,添加擋風(fēng)板會(huì)降低該區(qū)域的流速,從而影響該區(qū)域的散熱。故撤掉圖4左上方框內(nèi)的5個(gè)擋風(fēng)板,并適當(dāng)縮短相鄰的幾個(gè)擋風(fēng)板,使擋板撤掉和縮短區(qū)域涌入大量冷空氣;②對(duì)于冷空氣無法到達(dá)的區(qū)域,增設(shè)引流板,引導(dǎo)冷空氣流過使整個(gè)空間內(nèi)送風(fēng)均勻。

圖4 優(yōu)化前后模型

對(duì)比分析圖5、6的模擬結(jié)果,可知艙底擋風(fēng)板未優(yōu)化區(qū)域的流場(chǎng)基本沒有變化,原先冷空氣流場(chǎng)較差的區(qū)域通過撤掉和縮短部分擋風(fēng)板,使得大量冷空氣流入該區(qū)域,但仍有少量貼近通風(fēng)入口處的送風(fēng)死角無法吹到,故設(shè)置兩塊高度為110 mm的引流板增加通風(fēng)量。之后貨艙通風(fēng)下方空間的溫度場(chǎng)也隨流場(chǎng)的改善得到了較大的改進(jìn),冷空氣未流經(jīng)區(qū)域的溫度比其他正常區(qū)域高2.2～2.9 ℃,優(yōu)化后的區(qū)域和正常區(qū)域的溫度基本相同,但少量死角區(qū)域的溫度仍高1～2 ℃。

圖5 H=0.11 m剖面流場(chǎng)

圖6 H=0.11 m剖面溫度場(chǎng)

3.3 優(yōu)化后貨艙關(guān)鍵剖面數(shù)值模擬與分析

為驗(yàn)證3.2優(yōu)化方案的可行性,主要對(duì)優(yōu)化后的貨艙關(guān)鍵剖面的壓力、速度、溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬與分析。選取的關(guān)鍵剖面為地板下方空間高度的50%(H=0.11 m)剖面、貨艙的50%高度(H=1.35 m)剖面、通風(fēng)小孔剖面以及貨艙的中縱剖面。展示面以H=1.35 m剖面為例,見圖7。

圖7 貨艙的50%高度(H=1.35 m)剖面計(jì)算結(jié)果

由圖7可見,①貨艙壓力場(chǎng),艙內(nèi)氣壓基本接近1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,且壓強(qiáng)變化幅度不大,差值在10～20 Pa,對(duì)結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生多余的載荷;②貨艙速度場(chǎng),改進(jìn)后貨艙內(nèi)冷空氣流動(dòng)變得均勻,艙內(nèi)整體風(fēng)速在4.5～5.0 m/s,部分邊緣處風(fēng)速略低0.1～0.3 m/s,通風(fēng)小孔附近的風(fēng)速在3.9～4.1 m/s;③貨艙溫度場(chǎng),改進(jìn)后貨艙內(nèi)溫度場(chǎng)較均勻,其整體溫度能達(dá)到-35 ℃。綜上,該優(yōu)化方案有助于改善貨艙的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

3.4 實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

對(duì)優(yōu)化后的南極磷蝦船貨艙進(jìn)行實(shí)船應(yīng)用實(shí)驗(yàn),各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置,測(cè)點(diǎn)編號(hào)為TS1～TS8。某日截取時(shí)段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表4。

表4 貨艙8月某日截取時(shí)段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

分析表4中數(shù)據(jù),艙內(nèi)各溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)全達(dá)到-35 ℃的時(shí)間大約在第二日的00：28。用軟件計(jì)算出該時(shí)刻各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模擬溫度,見表5。

表5 貨艙0：28時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)表

比較表4、5中(00：28+d)時(shí)刻的數(shù)據(jù)可知,貨艙內(nèi)整體溫度達(dá)到-35 ℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬計(jì)算數(shù)據(jù)較吻合,符合貨艙冷凍溫度的設(shè)計(jì)要求。

3.5 貨艙滿艙模擬與分析

為找出貨艙中冷空氣流速相對(duì)較低的區(qū)域,對(duì)H=1.35 m(貨艙高度的50%)剖面處的近風(fēng)端、遠(yuǎn)風(fēng)端和舷側(cè)位置進(jìn)行滿艙模擬分析。貨物為南極磷蝦凍蝦貨包,尺寸為1.209 m×1.078 m×1.232 m,比熱約為1.84～1.85 kJ/(kg·℃),導(dǎo)熱系數(shù)約為1.65～1.67 W/(m·℃)。模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),近風(fēng)端風(fēng)速達(dá)到4～5 m/s,遠(yuǎn)風(fēng)端風(fēng)速在3.6～4.5 m/s,艙舷側(cè)風(fēng)速為2～4 m/s,說明貨艙舷側(cè)位置通風(fēng)相對(duì)較差。

3.6 最不利工況下貨包的冷卻模擬

為了檢驗(yàn)優(yōu)化后貨艙的制冷效果,模擬最不利工況下艙內(nèi)凍蝦貨包從-33 ℃冷卻至-35 ℃的過程。在貨艙通風(fēng)相對(duì)較差的舷側(cè)位置設(shè)置凍蝦貨包(尺寸與3.5相同)。假設(shè)凍蝦貨包頂部和外部的2個(gè)面空氣導(dǎo)熱,其余4個(gè)面絕熱。貨包的布置位置與冷卻模擬過程見圖8。

圖8 凍蝦貨包冷卻過程模擬示意

圖8展示了0、20、40和60 min時(shí)凍蝦貨包的溫度,選取50%的貨包高度(H=0.616 m)剖面作為觀察面。冷卻40 min后,凍蝦貨包的溫度已接近-35 ℃。60 min后,凍蝦貨包的溫度已達(dá)到-35 ℃。最不利工況下凍蝦貨包的冷卻模擬結(jié)果表明,優(yōu)化后的南極磷蝦船貨艙的冷凍能力符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

1)貨艙優(yōu)化后的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明通過調(diào)整冷風(fēng)機(jī)組未涉及區(qū)域的擋風(fēng)板的數(shù)量、長(zhǎng)短以及增設(shè)引流板可以起到改善南極磷蝦船貨艙的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的作用。與傳統(tǒng)的拓寬冷風(fēng)機(jī)組來改善通風(fēng)量的方法相比,該優(yōu)化方法可節(jié)約能源,優(yōu)化后的貨艙內(nèi)整體風(fēng)速達(dá)到4.5 m/s～5.0 m/s,溫度場(chǎng)也趨于均勻。同時(shí),該貨艙所用冷卻系統(tǒng)以及設(shè)計(jì)方案是可行的。

2)運(yùn)用Fluent軟件計(jì)算南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)的方法相較于傳統(tǒng)測(cè)流場(chǎng)的方法,不僅省時(shí)省力,且精度較高。

3)對(duì)最不利工況下專業(yè)南極磷蝦船貨艙內(nèi)凍蝦貨包的降溫過程進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬結(jié)果證明該船貨艙冷凍能力可靠。由于目前缺乏南極磷蝦實(shí)驗(yàn)樣本,下一步研究將針對(duì)最不利工況下該專業(yè)南極磷蝦船貨艙的冷凍性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,并與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。