邱肃肃,郑卫刚，王瑞

1 引言 

     机舱是船舶的动力、电力中心，是轮机人员进行管理的场所,被人们称为船舶的“心脏”。但是由于机舱内设备多，产热量大，空间相对狭小等原因，导致机舱内温度较高。近年来,随着轮机自动化程度的不断提高,机舱内各种用于监测和控制的精密仪表以及电子设备不断被应用,对舱内温度场的分布提出了更高的要求。但是，目前生产单位在设计和生产中，大都依据经验公式来设计船舶的机械通风系统，其设计效果很难得到检验。[2]如果能在船舶建造之前模拟出舱内的气流组织和温度的分布，将为通风设计提供了一个理论依据，以实现通风系统的优化。国内学者如周山[1]利用FLUENT，梁彦超[2]利用SC/Tetra，赫建伟[3]利用PHOENCIS等计算流体力学软件对大型远洋船舶机舱通风系统进行了数值模拟，收到了良好的效果。但对于内河船舶机舱内通风的数值模拟，却缺少相关研究。本文以武汉长江轮渡”江城二号”机舱为研究对象,对机舱内的空气流动进行数值模拟，这将对今后机舱通风系统的设计具有一定的指导意义。

2 机舱模型的建立

2.1船舶概况

   “江城二号”于2010年投入使用，往返于武昌和汉阳,是现役的长江轮渡中较为先进的型号，额定载客800 人。“江城二号”机舱只有一层,其尺寸为()，机舱内主要设备如下：

  主机No.1\2额定功率：220kW\220kW；

  辅机NO.1\2额定功率：50kW\90kW；

  发电机No.1\2额定功率：50kW\90kW；

  主机排烟管直径\长度：0.48m\1.99m，表面温度为70℃；

  No.1辅机排烟管直径\长度：0.2m\4.7m表面温度为70℃；

  No.2辅机排烟管直径\长度：0.28m\4.5m，为备用发电机组，实测时未投入使用。

2.2 机舱模型的简化

    舱外新鲜空气从主甲板后部滤网，经鼓风机加压后，进入位于机舱左右舷侧的进气总管。进气总管上共有大小出风口17个。机舱中部设有排气总管，机舱内气体经由排气总管排出机舱。同时机舱内有大小风扇4个，专门为柴油机降温。

    机舱中影响空气流动的物体很多,有些物体对流场产生很大的影响,有些物体对流场的作用很小,如果每个物体都考虑,必将使模型非常复杂,所以对必须对模型进行适当的简化。简化的基本原则是: 对空间气流流场产生作用较小且温度影响不大的设备管线进行移除；对结构形状复杂，简化后对模拟结果影响较小的设备进行规则化；对曲面作等面积平面化处理。[3]简化后机舱内设备的模型如图1所示。坐标原点选在机舱甲板中部；X轴正向为从左侧指向右侧；Y轴正向为沿船长方向由船艏指向船尾；Z轴正向为竖直向上。

 注：1 左进气总管；2 右进气总管；3 排气总管；4 No1主机；5 No2主机；6 No2发电机组；7 No1发电机组；8 集中控制室；9海水管系及泵阀区；10 左舷风扇；11 右舷风扇

图1.简化后的机舱布置图

2.3 网格划分

    由于机舱内部空间十分复杂，模型间尺寸相差较大，部分面间夹角过大，网格的划分经过了多次调整并对所建模型进行了相应修改，最终的网格划分如图2。 网格检查结果如图3，结果表明总网格数为315600，网格质量合格.

3 数值模拟过程

3.1机舱热负荷的确定[4][5]

    为简化机舱模型，这里只对主要的发热物体进行统计。包括：两台柴油主机，两台辅机，交流发电机和排烟管。其中辅机和交流发电机同轴连接，作为一个整体来处理。对于机舱内用电设备的放热情况按发电机功率的10%计算。

3.2.1柴油机散热量的确定

根据柴油机散热量计算

                                    (1)

式中:--柴油机散热量,kW；

      --柴油机最大持续功率时的轴功率，主机为187kW，辅机为50kW；

      --柴油机热损失系数，对于没有具体规定的小型四冲程机可按10%计算。

3.2.2交流发电机的散热量

交流发电机的散热量按下面公式计算：

                                  (2)

式中: --空气冷却式交流发电机的散热量,kW；

      --空气冷却式交流发电机的功率,kW；

      --交流发电机的效率，当值没有规定时,则按=94%进行计算。

3.3 机舱通风量的确定[4][5]

  排出散热量所需的总通风量按下面公式计算

                                   (3) 

式中：Q--机舱通风量，m3/s；

      --机舱的总散热量，kW；由（1）（2）两式计算可得50.4kW；

      --空气密度,取34℃一个标准大气压下干空气对应的密度值1.15kg/m3；

       C--空气定压比热容,干空气状态同上，为1.005；

      --机舱内平均温升，按8K计算。

代入实测数据可得 Q=5.45m3/s。

3.4 边界条件的设定 

  1.机舱壁面与江水接触，可以将其设为恒温边界，温度为299k，即26℃；

  2.入口条件设为速度入口,风速7.24m/s.实测送风温度为34℃；

  3.出口条件设为压力出口；

  4.各设备表面的散热情况由前述结果确定，其中主机表面热流量为4551,辅机和发电机为1820，废气烟管表面实测为温度70℃；

  5.内部流体设为空气，其它壁面默认为绝热壁面。

3.5 模拟过程[3][6]

    将动量方程求解方式设为分离式压力耦合隐式解法；湍流模型设置为两方程模型中的RNG模型；激活重力选项,重力加速度为9.8m/s2；压力速度耦合方式设定为SIMPLEC方式；各方程离散方式除压力项设定为标准外，其它设定为二阶迎风方式；计算过程收敛参数监视设定了主机和发电机表面平均温度。监视过程如图4。

对于收敛性的判断没有一个普遍准则,一般是按照残差值小于某一数值时判定计算结果收敛。但此种方法对于一类问题是有用的,对于复杂流动，残差值很难降到设定值。因此，监视诸如温度，热传导系数等积分量的变化通常是一种有效的方法。[1]监视器显示的主机和发电机表面平均温度在346k上下小幅波动。继续计算温度变化趋于平缓，这可以认为计算已经收敛。

4模拟结果验证与分析

4.1模拟结果与测量数据的比较

    为了验证计算模型和数值模拟结果的正确性,有必要把数值模拟结果和实船测量数据进行比较。测量点的位置如图5,各个测量点距地面高度为1.2m。

表1.模拟值与测量值的比较

    由表1可知，除去4,9测量点外，模拟值总是略大于实测值。对这一微小偏差的解释是：在处理机舱内几何形状复杂的海水管路时，由于对其进行物理建模的困难较大而将其忽略，这导致舱内冷源（海水管温度较低）数量减少，进而引起模拟值整体上较实测值偏低。但从整体来看，模拟结果与实测结果较为吻合。

4.2计算结果与分析

通过数值模拟,得到了机舱内部得流场的组织。 但是由于机舱是一个巨大的三维空间,温度场无法整体清楚的显示,这里可以采用切面法分析其温度分布的特点。

（1）由图6和图7看出，机舱中后部温度较高，温度梯度和速度梯度也比较大；机舱前部温度较低，温度梯度和速度梯度比较小。同时还可以看到尽管两个排风口距离热源位置的相差很大，但其出口的流速和温度却相差不大，这表示这两个风口所承担的负荷是接近的.这表明两排风口的布置是较为合理的。

（2）由图8和图9可知，机舱底部区域（由z=0.4m平面代表）温度较低，温度梯度小；机舱中上部（由z=1.2m平面代表）温度较高，而且高温区域集中在主机和辅机区域附近。这表明新鲜空气在进入舱内后经历了一个与热源持续进行热交换并沿上升线路不断升温的过程。这是机舱内热对流空气组织良好的表现。

（3）同时，由图9还可以看到，机舱内的高温区域集中在机舱内的中后部，特别是两主机之间的区域。而集控室周围的温度却比较低，从而保证了集控室内的温度能够维持在一个较低的水平，改善了轮机员的工作状况。根据图9的温度场分布，可以划分出如图上标示出5个低温区域,事实上，对于某些对温度要求较高的自动化设备和精密调压元件，合理布置舱内设备,将会对设备的测量精度和使用寿命的提高有较大帮助。

图6 X=0m温度分布图

图7 X=0m速度分布图

5 结论

   对“江城二号”轮渡机舱建立了物理模型，并对其通风系统进行的数值模拟和验证，得到如下结论：

  （1）FLUENT对机舱通风及温度场的数值模拟的结果是符合实际情况的，数值模拟结果可以为船舶机舱通风系统设计提供可靠的依据；

  （2）模拟结果表明机舱内温度分布并不均匀，即使是左右舷分布也不对称；据此，在安装设备时，应根据不同设备对温度要求的敏感程度，合理选择安装位置；

  （3）在模拟结果的基础上，可以进一步提出机舱内部通风的优化方案，以使温度场和速度场的分布更趋合理。