劉麗麗+黃紅魁

摘 要：本文首先建立閉式船舶機(jī)艙模型，根據(jù)船舶機(jī)艙氣流組織方式，借助通風(fēng)常用的氣流組織方案，并利用ANSYS 對(duì)該通風(fēng)方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得出相應(yīng)的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)分布，再根據(jù)機(jī)艙的熱環(huán)境結(jié)果分析并確定最佳通風(fēng)方案，包括通風(fēng)口的位置，通風(fēng)量的大小及分配問(wèn)題。首先，對(duì)于某機(jī)艙空間進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，建立能反映主要特征的機(jī)艙模型;其次，針對(duì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)于機(jī)艙模型內(nèi)各部幾何特征，分別選取相應(yīng)的網(wǎng)格劃分方式進(jìn)行每一部分網(wǎng)格劃分;最后，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件的功能，選取適當(dāng)?shù)耐牧髁鲃?dòng)模型、傳熱模型、邊界條件，進(jìn)行機(jī)艙內(nèi)空氣流動(dòng)的三維數(shù)值模擬計(jì)算。

關(guān)鍵詞：機(jī)艙;氣流組織;數(shù)值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.219

1 建立流動(dòng)與傳熱基本控制方程

1.1 質(zhì)量守恒方程

如果流體為不可壓縮流體則方程可簡(jiǎn)化為：

1.2 動(dòng)量守恒方程

1.3 能量守恒方程

2 機(jī)艙通風(fēng)的物理模型

機(jī)艙初步設(shè)計(jì)內(nèi)部空間尺寸為：長(zhǎng)21m、寬19m、高8.5m;分為上下兩層，上層放有兩臺(tái)相同型號(hào)的鍋爐，鍋爐蒸汽最大連續(xù)產(chǎn)量分別是1300kg/s;下層放有主柴油機(jī)發(fā)電組兩臺(tái)，功率分別是2000kw;輔機(jī)兩臺(tái)，功率分別是800kw。

3 閉式機(jī)艙所需通風(fēng)量的計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 通風(fēng)量計(jì)算

根據(jù)所給數(shù)據(jù)及計(jì)算公式可得主機(jī)、輔機(jī)及鍋爐工作所需空氣量及散熱所需空氣量，據(jù)此可初步確定機(jī)艙所需的總通風(fēng)量：

其中：：空氣密度，一般取

;：取12.5K（在設(shè)計(jì)情況下，機(jī)艙內(nèi)空氣的溫度）;c：空氣的比熱容，一般取C=1.01kJ/kg.k;將計(jì)算結(jié)果代入公式可得qh=31.78m3/s。

3.2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

研究的流動(dòng)是三維湍流，在求解器的選擇上應(yīng)選用3D，在計(jì)算精度上選擇單精度求解器即可。同時(shí)要打開(kāi)能量方程求解器，并設(shè)置模型的相關(guān)參數(shù)，并需要對(duì)網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查，以便使迭代更好的收斂。此外，還要對(duì)流體、固體的物理性質(zhì)進(jìn)行合理的設(shè)置，最后在對(duì)界條件進(jìn)行合理的命名及設(shè)置，包括布風(fēng)口、排風(fēng)口的邊界條件;主輔機(jī)、鍋爐和管系等熱源邊界條件。在機(jī)艙內(nèi)平行船中平面分別取y=1m和y=4.16m處分析主輔機(jī)的通風(fēng)狀況，主機(jī)溫度場(chǎng)分布如圖1所示;輔機(jī)溫度場(chǎng)如圖2所示。

從以上兩張圖可以看出，在主機(jī)的左下角及上面都存在高溫區(qū)域，冷卻效果很差，而輔機(jī)左處的冷卻效果較好。通過(guò)分析經(jīng)過(guò)主機(jī)縱剖面的速度場(chǎng)可知由于左下角形成十分明顯的氣流漩渦，所以輔機(jī)上面的空氣流通性好。

4 方案改進(jìn)與結(jié)果對(duì)比分析

針對(duì)機(jī)艙內(nèi)存在的熱量匯聚和氣流漩渦等現(xiàn)象，要增加此處的空氣流動(dòng)，因此設(shè)計(jì)中可在機(jī)艙后部設(shè)置兩個(gè)回風(fēng)門(mén)，同時(shí)主機(jī)上面的通風(fēng)口位置可相應(yīng)的提高，從而使主機(jī)部分得到更好的冷卻效果。

從圖3可見(jiàn)，在循環(huán)送風(fēng)和回風(fēng)，自然對(duì)流與熱源的共同作用下，整體溫度梯度已明顯減小。先前存在的氣流漩渦都已不復(fù)存在。在主機(jī)和機(jī)艙剖面處的高溫區(qū)域已得到改善，主機(jī)和輔機(jī)之間的氣流交換比較理想，散熱性較好，且主機(jī)和輔機(jī)整體的溫度分布也較為適宜。

5 結(jié)論

機(jī)艙的通風(fēng)效果是由機(jī)艙內(nèi)的氣流組織和進(jìn)風(fēng)量來(lái)決定的，機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)效果和氣流組織由機(jī)艙布風(fēng)口和排風(fēng)口的位置來(lái)決定的。在系統(tǒng)的實(shí)際設(shè)計(jì)中充分考慮排風(fēng)高度、送風(fēng)角度、排風(fēng)角度對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。可以有針對(duì)性的在溫度較高的區(qū)域增設(shè)風(fēng)口，這樣可有效增加艙內(nèi)氣體的流動(dòng)性，減少氣流漩渦，避免造成氣流聚集。在數(shù)值模擬過(guò)程中采用了ANSYS軟件對(duì)對(duì)閉式機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)前后的效果進(jìn)行了仿真，結(jié)果較可靠，對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，也為相似的工程提供了參考借鑒。

作者簡(jiǎn)介：劉麗麗（1989-），女，碩士，教師。endprint