舰船动力系统排烟对甲板上方空间温度场影响的数值分析

张佳佳，付云鹏，叶正华，孙鹏，钟兢军，杨木肖

1大连海事大学轮机工程学院，辽宁大连116026

2中国船舶及海洋工程设计研究院，上海200011

3大连海事大学专业学位教育学院，辽宁大连116026

0 引 言

随着舰载机及精密电子设备普遍装备现代舰船，与之相关的安全性及可靠性影响因素也逐渐受到关注［1］。其中，舰船甲板上方空间分布的高温烟气是决定舰船上层建筑表面精密电子仪器设备能否正常工作、舰载机能否安全起降的重要因素之一。随着现代舰用燃气轮机燃气初温及压比的不断提高，温度越来越高的机组高温排气给舰船带来了一系列的问题，如外烟囱端部射出的高温烟气给舰船带来的烟气腐蚀、电气设备的过热损坏、能见度降低、上层建筑污染等［2］。但影响舰船表面温度场分布的因素有很多，如舰船的几何外形、自然风的强度及方向、自由来流的湍流分量、海况及舰船的航行运动［3］。因此，有必要考虑一定情况下舰船甲板上方空间温度场、舰船上层建筑表面温度的分布，及时做出预测、判断、分析并研究。

利用CFD手段对舰船外部流场、温度场进行研究是行之有效的手段，国内外已有不少学者开展过类似工作。Polsky等［4］针对LHA船型进行时间精确的空气尾流场的数值仿真并与相应的风洞测试数据进行了比较，证明利用CFD手段研究舰船甲板上方空气流场具有一定的可靠性。Kulkarni等［5］利用Fluent软件中的标准k-ε双方程模型对某型护卫舰的烟囱热气流场进行了数值研究。林维德［6］针对某舰船普通排气系统的内部流场和温度场进行了计算，得到了该排气系统内部的温度分布；周绍荣等［7］分析了某型舰船排气系统红外抑制装置的湍流场以及温度场。

上述与舰船温度场相关的研究大都集中在舰船排气系统内部，本文将着重于舰船排气系统对其外部温度场影响的数值分析。首先，利用Fluent软件对某LHA船型在不同风速下舰船甲板上方的空间温度场进行计算，然后，选取3个关键截面，对排气系统在所选关键截面处的温度场影响、甲板上层建筑表面温度分布进行量化分析。

1 数值计算方法

1.1 计算模型

本文的研究对象是以“塔拉瓦”级两栖攻击舰（LHA）为参考，并对其上层建筑结构形式进行了简化。研究中，不考虑气、液交界的作用。为了减少网格数目与计算量，甲板高度取2 m，具体模型如图1所示。舰船沿航行方向，左侧为船体左舷（PORT），右侧为船体右舷（STBD），上层建筑以及烟囱位于甲板右舷一侧。计算模型中，将x方向定义为长度方向（艏艉方向），y方向定义为宽度方向（船舷方向），z方向定义为高度方向。

图1 舰船简化模型Fig.1 Simplified model of ship

在利用CFD技术对钝体绕流建立计算模型时，计算域的边界应设置于离模型足够远处，以避免边界对计算结果造成影响。而在数值模拟计算中，计算域的大小往往以阻塞率的大小来衡量，一般认为阻塞率不大于3%［8］。本文选定的计算域大小为1 300 m×210 m×160 m，如图2所示。在本研究中，计算域yz面的阻塞率为1.46%，xz面的阻塞率为1.54%（因xy面不受来流风速的影响，故不将其考虑在内）。

图2 计算域及边界定义Fig.2 Computational domain and definition of boundary

1.2 网格和边界条件

舰船模型计算域网格如图3所示。由于船体表面及上层建筑的结构较为复杂，为减少总体网格数量，将计算域划分为包含船体在内的中间区域以及前、后两个远场区域。其中中间区域的网格较密，前、后两个远场区域的网格较稀疏。为节省网格生成时间，上层建筑及船体附近为四面体非结构化网格；前、后两个远场区域因为简单的长方体结构，为兼顾计算时间，将其划分为正六面体结构化网格。全计算域网格数约360万。计算方法的可靠性验证参考文献［9］。

图3 计算网格示意图Fig.3 Schematic diagram of computational grid

计算中的合成风速分别设定为10，15，20和23 m/s，风向为右舷30°。由于来流速度较低，为不可压气体［10］，因此甲板气流场计算中的主要边界条件为：速度入口（Velocity inlet）、压力出口（Pressure outlet）、甲板及上层建筑定义为壁面边界（Wall）。边界名称如图2所示，其中Up定义为速度入口，但气流方向与截面平行，即没有气流进入；Bottom认为是水面，不考虑气、液交界，将其定义为壁面；烟囱出口定义为速度入口。具体的边界条件定义见表1。计算采用基于压力的隐式求解器，湍流模型选择k-ε标准双方程模型，工质选择不可压理想气体，工作压力为标准大气压。

表1 边界类型定义Table 1 Definition of boundary

2 计算结果分析

2.1 温度场分析基准

对于舰船甲板上方的空间温度场是否达到安全标准，很多国家都制定了相应的准则，其中英国民航局制定的CAP 437等［11-12］对甲板上方空间温度场的要求更为简单、明晰。因此，在分析此次舰船甲板气流场的数值模拟结果时，对于考虑舰船甲板表面一定关键位置处是否超温，将以CAP 437标准为参考。

CAP 437对甲板停机坪位置处的温度要求为：在平均3 s的时间间隔内，直升机在起降区域（即供直升机安全起降所需的甲板上方净空高度范围，应满足30 ft加直升机轮子到旋翼的高度再加上一个旋翼的直径）内烟气温度最大的温升不能超过环境温度2 K。标准中规定的温度是动态温度变化，但本研究中采用的是定常数值方法，无法考虑温度场的动态变化情况。因此，在将环境温度设定为300 K的情况下，认为温度达到302 K的区域超出标准要求的可能性较大，故将302 K选作一个关键点温度。

温度场分析主要针对烟囱排放的高温烟气在舰船甲板上方空间的整体走向，以及在舰船上层建筑壁面和典型截面的温度分布来进行分析。分析中选取的典型截面如图4所示，其中横向1，2号截面宽度与船宽同宽，纵向截面长度与船长同长，二者的高度根据CAP 437中的空间区域要求折合计算，选取为35 m。1，2号横向截面及船长方向的纵向截面分别通过1，2号停机坪中心。

图4 流场分析截面及1，2号停机坪Fig.4 Analysis sections and No.1 and No.2 heliport

2.2 高温烟气对甲板上方温度场影响

图5所示为4种工况下舰船甲板上方空间高温烟气温度302 K时的等值面。从中可观察到，在相同风向下，高温烟气的整体走向几乎相同。烟气经烟囱排出后，在右舷30°来风的卷挟下顺流甲板上方向后传播，但随着风速的增加高温烟气与外部来风的流动换热逐渐加剧，导致其整体尺度越来越小。

为进一步观察高温烟气对舰船甲板上方空间的总体影响，给出了纵向截面（沿船长方向关键截面）上20 m高度处高温烟气分布的始末位置，如图6所示。图中横坐标为风速，纵坐标D/L为高温烟气在20 m高度处的始末位置相对船长的无量纲数。在风速为10 m/s时，高温烟气温度超过302 K的区域在纵向截面20 m高度处起始于0.55倍船长位置处，于0.92倍船长位置处终止。随着风速的增加，高温烟气在纵向的分布范围越来越小，逐渐收缩到0.65倍船长位置处。

图5 4种工况下舰船甲板上方空间温度302 K时的等值面Fig.5 Temperature iso-surfaces（302 K）above the ship deck under four conditions

图6 4种工况下高温烟气在纵向截面的始末位置（20 m高度处）Fig.6 Start and end position on longitudinal section under four conditions（height is 20 m）

图7所示为4种工况下1号停机坪1号横向截面的温度分布云图。从中可观察到，在4种工况下，高温烟气在甲板停机坪一侧上方空间的分布规律相似，烟气经烟囱排出后，由于温度梯度的存在和侧风的作用，高温范围逐渐向甲板另一侧扩散，在传播的过程中，温度梯度逐渐递减；随着风速的增加，气流绕流上层建筑形成的尾涡作用更加明显，在烟囱背风一侧形成的回流更强。

如前文所述，风速的增加会导致高温烟气与外部来流流动换热的增加，以致于对其影响范围造成了一定的改变。为详细观察这种改变，选取1号截面上高温烟气在船宽方向传播的最远距离作为参考依据，如图8所示（纵坐标D/B为高温烟气在船宽方向传播的最远距离相对船宽的无量纲数）。由图8可知，在23 m/s风速下，高温烟气在1号截面上传播的距离最短，约为0.725倍船宽。考虑到在0.6倍船宽左右会对停机坪的安全使用产生影响，因此在此4种工况下，1号停机坪的安全使用无一例外地会受到高温烟气的干扰。

图9给出了2号停机坪上方空间的温度分布。在30°风向下，风速由10 m/s增加到23 m/s时2号停机坪会受到高温烟气的影响，使得2号停机坪处直升机的安全起降受到威胁。

图7 4种工况下1号截面的温度云图Fig.7 Temperature contours of the No.1 section under four conditions

图8 4种工况下高温烟气在1号截面的最远传播距离Fig.8 The maximum spreading distance of high temperature gas at No.1 section under four conditions

图9 4种工况下2号截面的温度云图Fig.9 Temperature contours of the No.2 section under four conditions

2.3 上层建筑壁面温度分布分析

图10为4种工况下该型舰船上层建筑壁面的温度分布。从中可观察到，壁面高温区域除集中在烟囱出口附近外，还集中于另外2处地方：一处位于前部上层建筑靠近烟囱壁面处；另一处位于2号停机坪后方甲板表面及后部上层建筑局部壁面。气流绕流上层建筑会在其后方形成尾涡，在上层建筑背风侧存在一个低压区，在该低压区内，高温烟气被吸贴至建筑壁面，导致局部温度过高，可达330 K左右。

但在4种不同风速下，高温烟气对上层建筑壁面影响范围的大小还略有不同，因此详细考察了上层建筑壁面的受影响范围大小情况，如图11所示。图中，z轴为受高温烟气影响的面积大小，x轴为风速，y轴为温度。从三维图中可以明显观察到，上层建筑在低风速情况下受到的影响更明显。在10 m/s风速下，壁面温度超过330 K的区域达8.8 m2，壁面温度超过310 K的区域高达73 m2。随着风速的增加，这种影响将逐渐递减。在23 m/s风速下，壁面温度超过310 K的区域不到5 m2。

图10 4种工况下舰船上层建筑壁面温度分布云图Fig.10 Temperature contours of ship superstructure wall surface under four conditions

图11 不同工况下高温烟气对上层建筑壁面的影响范围Fig.11 Influence range of the high temperature gas on superstructure wall surface under four conditions

3 结 论

1）在右舷30°风向下，舰船排气系统所排高温烟气在风速10～23 m/s时在甲板上方空间的整体走向一致，但随着风速的增加，高温烟气在顺流向后传播的过程中尺度越来越小，衰减过程越来越快；在纵向观察截面，随着风速的增加，高温烟气越来越集中于0.65倍船长处。

2）在 30°风向、风速10～23 m/s情况下，1，2号停机坪上方35 m高空均不同程度地包含有超温区域，在此处直升机的起降安全会受到影响，且随着风速的增加，超温烟气在1，2号截面的最远传播距离也在减小，由风速10 m/s下的最远至0.78倍船宽降到了风速23 m/s下的最远至0.72倍船宽。因此，对位于舰船上层建筑背风侧的停机坪，其设计选择要更为慎重。同时，在舰船航行过程中，该处停机坪的使用安全性也更应受到关注。

3）在舰船上层建筑靠近烟囱的壁面处，由于上层建筑尾涡对高温烟气的卷吸作用，致使其局部温度过高，约达330 K，且风速越低，受超温烟气影响的面积越大；在风速为10 m/s时，上层建筑表面温度超过330 K的面积达8.8 m2。因此，舰船上层建筑表面的电子仪器等设备应尽量布置在远离靠近排气系统附近的壁面处，仿真结果可为具体的布置方案提供一定的参考。