某型海关缉私艇机舱通风系统仿真研究

陈万宏 何滔 王光放 陈海光

摘    要：为解决某型海关缉私艇后机舱通风系统给柴油机曲轴箱带来的压差高报警问题，本文借助ANSYS CFX软件建立后机舱通风系统及改装方案的仿真模型，并进行仿真计算。经实际验证仿真模型贴近工程实际，仿真结果与实测结果基本一致、轴箱压力高报警现象消失，改装方案可行有效。

关键词：ANSYS CFX;仿真

中图分类号：U664.8                                文献标识码：A

Abstract： In order to solve the problem of high pressure differential alarm of crankcase of diesel engine by the ventilation system of stern engine room of a certain type of customs cruiser， this paper establishes the simulation model of engine room ventilation system and its modification scheme with the ANSYS CFX software， and carries out the simulation calculation. It is found that the simulation model is basically close to the engineering practice， and the modification scheme can effectively solve the problem of the high pressure difference of crankshaft. The simulation results are compared with the measured results of the modification scheme of the customs cruiser subsequently built. The simulation results are basically consistent with the measured results， the high pressure alarm phenomenon of crankcase disappears， and the modification scheme is feasible and effective.

Key words： ANSYS CFX software; Simulation

1    前言

某型海关缉私艇在推进柴油机满负载运行时，出现曲轴箱高压报警现象。经分析和测量，发现后机舱处于负压状态，相对大气的负压值约为 1 000 Pa。其原因是推进柴油机曲轴箱呼吸器与通往室外的透气管相连接，由于机舱存在较大负压，造成曲轴箱的废气无法排出，使推进柴油机曲轴箱压力高报警。

经过分析，造成机舱负压与通风管布置和通风形式有关，为解决该问题必需对后机舱通风管路进行优化改装，采取取消机舱送风管上的风箱和风管等措施。为评估上述优化方案的有效性，利用ANSYS CFX有限元软件对改装前、后的后机舱通风情况进行模拟计算，以校核拆除风管和风箱后，机舱内的风压是否满足要求。

2   通风系统概况

某型海关缉私艇是海关总署新一代系列船型的一种，也是我院承担的又一项批量公务船设计任务，该型船共建造30艘。

该型艇设有前、后两个机舱：每个机舱设有2台CAT 3516C型推进柴油机（2 240 kW/1 800 r/min）和1台柴油发电机组（150 kW/1 500 r/min）;前机舱设有1台燃油热水炉（加热量174 kW）;前、后机舱分别设置自然通风和机械抽风两种通风形式。

在确定该型艇的通风形式后，按《柴油机船舶机舱通风条件设计条件和计算准则》（CB/T3772-1996）对前、后机舱通风量进行估算，并选取通风机和进风格栅如下：

（1）机舱抽风机

（2）进风格栅

前機舱左、右风道各设2个面积为700×800 mm2的进风格栅，格栅通风率为75%，具有气水分离和关闭功能;后机舱左、右风道各设有2个面积800×1100 mm2的进风格栅，格栅通风率为75%，具有气水分离和关闭功能;前机舱直接进风舱内，后机舱进气由风箱和风管输送至各用气处所，如图1所示。

3    通风系统建模及仿真

3.1  仿真软件

CFX是全球第一个通过ISO9001质量认证的大型商业CFD工程分析软件，由英国AEA TECHNOLOGY公司开发，并于2003年被ANSYS公司收购。CFX具有计算结果精确、物理模型丰富、用户扩展性强大等优点，一直引领着CFD技术的发展。该软件已广泛应用于航空航天、旋转机械、能源、石油化工、机械制造、汽车、生物技术、水处理、火灾安全、环保等领域，为全球用户解决了大量的实际问题。

ANSYS CF不是单一的软件，而是由多个相互配合的软件模块构成的软件包。主要包含4个功能模块：前处理器（CFX-PRE）;求解器（CFX-SOLVER）;求解管理器（CFX- SOLVER MANAGER）;后处理器（CFD-POST）。

前处理器用于定义求解问题，如流体介质属性、计算区域的边界条件、选用数学模型、求解精度、迭代步数、目标残差等;求解器是CFX模拟计算的核心程序，在后台运行，可通过求解管理器来设置求解器;求解管理器用于监视求解进程，显示求解器输出的求解过程信息;后处理器用于完成计算结果的统计和图形化处理。

CFX求解的过程主要包括：建立所研究问题模型;设定边界条件;选择求解器;求解及结果处理等步骤。

3.2  模型建立

考虑到后机舱通风系统和主机组对称布置的情况，为简化计算过程建立了半宽后机舱CFD仿真模型并进行仿真。为提高模拟速度，在仿真过程中将通风机、通风栅、通风口、主机进气格栅等进行了适当的简化：抽风风机简化为流量与表压的圆孔;自然进风口简化为风量和压力的矩形;主机进气口简化为出风口;风管出风口简化为压力出口。

利用ANSYS Geometry分别建立改进前、后仿真模型，如图2、图3所示。

3.3 边界条件

流体的流动状态主要有两种形式：层流和湍流。

层流是指流体在流动过程中两层之间没有相互混掺，而湍流是指流体不是处于层流状态。一般来说，湍流是普遍的，而层流则属于个别情况。流体流动遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等物理定律。

通风系统为典型的不可压缩流体湍流模型，可选用ANSYS CFX进行建模及仿真。为了进行模拟计算，将机舱通风系统转化为CFD计算的边界条件。

作为CFD计算的边界条件主要有：入口边界条件;出口边界条件;固体壁面边界条件;对称边界条件;周期性边界条件等。

（1）入口边界条件就是指定入口流道变量的值.常见的入口边界条件有：速度入口边界条件、压力入口边界条件、质量流量入口边界条件。其中速度入口边界条件适用于不可压缩流;压力入口边界条件既可用于可压缩流，也可用于不可压缩流;质量入口边界条件适用于可压缩流。

（2）出口边界条件分为速度出口边界、压力出口边界和质量出口边界三种情况。

某型海关缉私艇机舱通风系统模型的边界条件如下：

入口边界条件：用于模拟自然进风，风量为10.5 m/s、表压为大气压;

出口边界条件：用于模拟抽风机，风量10.5 m/s、表压-402 Pa、方向指向机舱外;

壁面边界条件：用于模拟主机吸气口，风量2x5 m/s;

壁面邊界条件：用于模拟风管出风口，表压-402 Pa;

对称边界条件：用于模拟左、右对称面，风量为0 m/s。

3.4  仿真计算

建立完仿真模型后，利用CFX-PRE进行前处理和划分网格，并选定求解器。按要求分别设定计算模态、时间和时间间隔等参数，在ANSYS CFX中运行两种通风形式的仿真模型，得到有、无风管的在X、Y和Z方向的压力、速度分布情况，如图4～5所示。

3.5  仿真计算结果分析

由图4～15可知：当风管存在时，后机舱处于负压状态，在主机进风口附近的负压值约为650 Pa、气流速度约5 m/s;最大负压值1.1 kPa，与实测结果基本相当，证明模型简化及参数选取较为接近工程实际;

当风管取消后，后机舱虽然也处于负压状态，但最大负压值下降至约300 Pa，而进气口附近的气流速度则达到10 m/s，证明风管和风箱拆除后可有效改善后机舱通风效果。

3.6  实船验证

根据ANSYS CFX仿真结果，确定某型海关缉私艇后机舱通风系统改进方案如下：拆除后机舱自然进风管道和风箱，改为直接进风。

改装结束后，按要求进行机舱通风系统系泊和航行试验，试验实测后机舱负压值为350 Pa，曲轴箱压力满足推进柴油机使用要求，未再出现压力高报警，证明改进方案可行有效。

4   结论

本文针对某型海关缉私艇通风系统的实际配置情况，首先借助ANSYS CFX建立改装前通风系统仿真模型并进行适度简化，确定边界条件、划分网格、选定计算器并进行仿真计算，在有风管状态计算结果与实船测量结果基本相符，证明模型简化和仿真合理，较为贴近工程实际;之后，建立改装后的仿真模型，按CFX计算流程进行CFD计算，将改装前、后仿真结果进行比较，改装后的机舱通风效果明显改善，实测结果与仿真结果基本一致，曲轴箱压力高报警现象消失，证明该模拟仿真方法可行，改装方案可行有效。

参考文献

[1] ANSYS CFX 14.0 从入门到精通[M]. 清华大学出版社.