某海监船机舱通风系统的设计和优化方案

郭 昂, 封海宝, 王驰明

(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2.厦门船舶重工股份有限公司，福建 厦门 361000)

某海监船机舱通风系统的设计和优化方案

郭 昂1, 封海宝1, 王驰明2

(1.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082；2.厦门船舶重工股份有限公司，福建 厦门 361000)

以某最新海监船为对象，通过机舱设备换热量和风道阻力系数的研究，提出了机舱通风系统的通风量和管道压力损失的改进计算方法；并从合理利用船体结构、减小局部阻力、降低舱内局部温度等角度提出系统优化方案，结合CFD软件进行分析和验证。结果表明该方案能够使系统进风量增加9.1%，气流组织得到改善，且主辅机处供气量显著增加。

风机选型；气流组织；计算流体力学；数值模拟

0 引言

船舶机舱机械通风系统具有重要作用：向舱内供入足够量的新鲜空气，以保证主辅机、锅炉等耗气设备的正常工作；与机舱进行热交换，保持舱内适宜的环境条件(温度、湿度、气流速度、清洁度)；与机舱进行气流交换，清除舱内可燃和有毒有害气体[1]。但是，机舱内气相组织复杂，温度梯度变化较大，燃滑油管、油泵、油舱以及排烟管等处会有油气挥发，使舱内含有可燃和有害气体，检测和控制仪表以及电子设备越来越多，机舱自动化程度越来越高，以及船员对工作环境要求逐渐提高，这些都对机舱通风系统的设计提出了更高的要求[2]。

1 机舱通风系统的详细设计

本文以某海监船机舱通风系统为研究对象，该船总长95 m，型宽14 m，型深7.8 m，设计吃水5 m。

该船机舱长17 m，宽15 m，高8 m，由2层甲板和1层中间平台组成。

1.1 机舱通风量的确定

根据ISO 8861-1995，通风量至少为设备所需燃烧空气量和设备散热所需通风量之和。

(1)燃烧所需空气量计算过程如下：

主机燃烧所需空气量：q1=qZ1

式中:Z1为主机数量，Z1=2台；q为单台主机燃烧所需空气量，q=3.08 m3/s。

经计算，q1=6.16 m3/s。

辅机燃烧所需空气量：q2=Z2Nm1/ρ

式中：Z2为正常航行时辅机使用台数，Z2=1台；N为额定功率，N=441 kW；m1为空气燃烧率，m1=0.002 kg/ (kW·s)；ρ为空气密度，ρ=1.13 kg/m3。

经计算，q2=0.78 m3/s。

锅炉燃烧所需空气量：q3=Gm2m3/ρ

式中：G为最大连续产汽量，G=0.194 kg/s；m2为燃油耗率，m2=0.07 kg/kg；m3为燃油燃烧所需气量，m3=15.7 kg/kg。

经计算，q3==0.19 m3/s。

燃烧所需总空气量：

q4=q1+q2+q3=7.13 m3/s。

(2)设备散热所需通风量计算过程如下：

主机散热量：j1=0.396Z1N10.76

式中：N1为主机CMCR，N1=1 490 kW。

经计算，j1=205 kW。

辅机散热量：j2=0.396Z2N0.76+P1(1-n1)

式中：P1为发电机功率，P1=400 kW；n1为辅机效率，n1=0.90。

经计算，j2=80.5 kW。

锅炉散热量：j3=m4ha/ (3 600(1-a))

式中：m4为蒸汽耗量，m4=700 kg/h；h为蒸汽的热焓，h=2 767.5 kJ/kg；a为蒸汽散热率，a=0.06。

经计算，j3=34.35 kW。

蒸汽管和凝水管散热量：j4=m4hb/ 3 600

式中：b为蒸汽和凝水散热率，b=0.001 5。

经计算，j4=0.81 kW。

其他散热量：排气管散热量，取20 kW；电气设备散热量，取40 kW。

设备散热所需通风量：

q5=∑j/(ρcΔT)-0.4(q1+q2)-q3

式中：∑j为上述设备散热量之和，kW；c为空气质量热容，c=1.01 kJ/(kg·K)；ΔT为空气流经机舱的温升，ΔT=12.5 K。

经计算，q5=25.67 m3/s。

机舱通风总量：

Q1=3 600(q4+q5)= 118 080 m3/h。

机舱选取2台通风量为60 000 m3/h的可逆转轴流风机[3]。

1.2 通风系统管道布置及压力损失校核

机舱通风管道的布置要充分考虑到机舱层高和各设备的相对位置，尽量做到方便施工，外形美观，并不产生干涉，不影响船员操作；出风口尽量布置在柴油机增压器的进口、需要经常操作和维修的场所，且不能直接对着散热设备和电气设备。布风器通常选择国标件(CB/T 462-1996)，根据经验进行布置。主辅机和锅炉设备处风口较多，但为保证各支管压力较为均匀，噪声较小，所需空气能顺畅的通入机舱，布风口的布置又要相对均匀。

该船的机舱通风系统设计布置如图1所示，图中1-22为出风口位置。机舱主辅机等主要设备沿船中对称布置，机舱风管系统也左右对称布置且相对独立，取右舷风道进行研究。以该系统最远通风管系为对象(图示：A-B-C-D-E)，采用等速度法进行系统的水力损失计算。得到管道A-E局部阻力(176 Pa)和沿程阻力(19 Pa)之和195 Pa。根据规范标准要求：机舱风机有进口风雨密和噪声等级要求，因此风机进风口需安装带风雨密的隔音罩，预留100 Pa作进风阻力。为保证烟囱正常排风和舱内船员工作舒适度，舱内保证50 Pa的正压，从而确定风机出口处理想静压为245 Pa，总压378.1 Pa。

图1 机舱通风系统几何模型

2 机舱通风系统的数值模拟分析

利用CFD软件对该通风系统进行数值模拟分析。首先利用Pro/E软件按照实际尺寸建立机舱风管系统的3D模型[4]，然后导入Gambit中进行网格划分，中间甲板以上划分非结构网格，以下划分为具有六面体特性的结构网格，最后对风机出口、出风口和外形曲率较大处网格进行加密处理。网格共计3.11×106。

进风口采用速度入口(流量60 000 m3/s，流速14.7 m/s)，出风口采用“通风口”边界条件进行设定。在FLUENT中利用双精度求解器进行设定和求解：采用基于压力的求解方式以及κ-ε流体模型，收敛历史通过自带的残差监视器和最远出口22的表面速度监视器来确定，求解得到进口和各出口处的速度，如图2所示。

图2 系统边界流速分布图

观察典型及重要出口处的计算结果，并与通风系统系泊试验实测值进行比较，对比结果见表1。

由表1可知，该风管系统典型风口的模拟值与系泊试验测量值相比，误差基本都在5%内，且出风口越远误差值越大，这是因为风管的实际施工不会达到理想的光滑度，为避免管道干涉，某些地方甚至会出现折弯，且管壁会有灰尘和漏气现象。

表1 典型风口处的风速

模拟得到通风系统进口静压256.5 Pa，总压389.6 Pa，手工计算得到系统进出口静压245 Pa，总压378.1 Pa，静压误差4.69%，总压误差2.97%。

通过模拟值和计算值、模拟值和实测值的比较，得知模拟结果存在一定的误差，但误差在可以接受的范围内，从而证实了计算模型的正确性。

3 优化方案及模拟验证

对原设计方案风管系统作相应改进，并进一步

检验改进效果：

(1)中间甲板的薄壁风管改为通风围井，合理利用围壁的静压作用，且焊接施工更方便。

(2)主风道前侧的T型三通改为裤衩三通。

(3)充分利用风管尺寸，把主风道通风栅尺寸E300 mm×650 mm(定风量式标准件)参考CB/T 462-1996改为F390 mm×650 mm。

(4)主风道后侧增加一个通风栅，前侧增加2个通风栅，即风口10、风口17和风口21，规格都为F390 mm×650 mm，气流方向垂直向下吹向船员经常操作和维修区域。

修改后的模型如图3所示。

图3 优化后机舱通风系统几何模型

同样的方式进行网格划分和模型求解：得到网格数3.31×106，节点数2.01×106，进风口改用压力入口(总压389.6 Pa)，其他边界条件不变。迭代求解，得到流场的速度梯度后对网格进行光顺后处理，得到进口和各出口处的速度分布图，见图4。

图4 优化后系统边界流速分布图

比较修改前后的速度分布图，可知：优化后，主辅机处能够获得更多的新鲜空气。主辅机是机舱最主要的热源，更多的新鲜空气不仅有利于机体表面热交换，也能更好的保证燃烧需气量；有更多的气体吹向机旁的设备操作区和维修区；延长了气流行程，避免了更多的气体直接吹向机体表面，从而降低了设备的热应力和能量损失，且优化后系统的压力分布会更加均匀，水力损失减小。所以，优化后的气相组织分布和风口布置更加均匀合理。

同时，通风栅由固定线网式改为可调线网式，能够更好调节机舱流场分布[5]，比如：人维修或操作设备时，可以增大相应区域的风量；备用辅机处，可以适当减小相应区域的风量。

由Flux Reports-mass flow rate知，进口流量为65 456 m3/s。系统优化后，进风量增加了9.1%。这是因为：系统的水力损失的减小，使得系统的静压更多的转化为动压，从而提高了主风管的流速和流量，这种转化也符合轴流风机的“流量-压力特性曲线”。

4 结语

由上可知，系统优化后，机舱通风量明显增加，气相组织更加均匀稳定，气流分布更加合理有效，能够充分考虑设备布置和船员活动的需要，同时也能够降低由风系统引起的机舱噪声。

本论文以某海监船的通风系统的设计为例，在探究机舱通风系统设计方法的基础上，提出了改进设计方案，并且利用CFD仿真软件验证了优化方案的可行性和有效性。该设计流程和优化方法具有普适性，对于其他船舶，尤其是大型船舶的机舱强制通风系统的设计具有指导意义。

[1] 宿靖波.机舱管理[M].大连：大连海事大学出版社,2006.

[2] 向立平,王汉青.空调客车内气流组织与污染物浓度场数值模拟[J].中南大学学报,2010,41(5):2 017-2 021.

[3] 陈宁,张栋.船舶机舱机械通风的计算与气流组织分析[J].舰船科学技术,2009,31(3):73-76.

[4] 江宇,宋福元.船舶机舱通风数值模拟分析[J].船舶科学技术,2012,34(8)：52-59.

[5] 梁彦超.某船机舱通风系统模拟分析和优化设计[D].上海：上海交通大学出版社,2011.

2014-01-09

郭昂(1987-)，男，助理工程师，硕士，研究方向为船舶轮机设计； 封海宝(1977-)，男，高级工程师，研究方向为船舶轮机系统优化； 王驰明(1987-)，男，助理工程师，硕士，研究方向为船舶流体特性分析。

U663.82

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