基于CFD计算的客滚船滚装处所通风系统设计

徐 谦，赵自兵，吴 林

(招商局邮轮研究院(上海)有限公司，上海 200137)

0 引言

计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等系统所做的计算分析。CFD可以看作是在质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程控制下对液体流动的数值模拟，是进行传热、传质、动量传递的核心和重要技术[1]。

客滚船滚装处所空间很大。根据艏艉门的状态，通风系统存在海上航行和装卸货等多种不同的运行工况。通风系统容易导致某些区域气流很弱或没有气流，而规范要求滚装处所内不能有气流“死点”，交船前需要进行烟雾追踪实验，向船检机构报验。所以，滚装处所的设计需要考虑内部的气流场。而风无色无味，在设计阶段很难进行有效的气流分析，存在很大的技术风险。

客滚船滚装处所通风系统设计的另一个难点是风道压力损失的计算。为了追求较长的车道长度，留给通风系统的空间非常小，但是风量巨大，需要布置由庞大的风机、风道、消音片等组成的通风系统，所以在狭小的空间内完成通风的设计变得非常困难[2]。风机的型号取决于风量和压力。风量是通过滚装处所的空间大小乘以换气次数来计算得到的，而风机的压力取决于风道的压降计算。滚装处所的风道一般都是结构风道，形状不像风管那么规则，且为了控制噪声，在风机的进出口布置了大量的消音片，所以普通的风道压降计算方法很难准确地算出滚装处所风道的压力损失。

滚装处所通风系统可以借助CFD计算，预测仿真滚装处所内和风道内的通风气流详细分布情况。气流数值分析能够考虑室内各种可能的内扰、边界条件和初始条件，因而它能全面地反映滚装处所的气流流动情况和压力变化情况，指导设计最优的气流分布方案，使其达到良好的通风效果。

本文以某客滚船的滚装处所通风系统为研究对象，从滚装处所内流场和风道内压力计算这2方面，研究如何应用CFD计算来指导滚装处所通风系统的设计。

1 滚装处所通风流场分析

本文使用CFD中的Airpak软件对某客滚船5-7甲板滚装处所进行模拟计算。此处所船艉是永久敞开的，而艏部有艏门，见图1。艏门在装卸货的时候开启，在海上航行的时候关闭，艏部布置了抽风机。当海上航行时，艏门关闭，艏部抽风机运行，风从艉部的永久开口进入货舱[3]。

图1 某客滚船5-7甲板滚装处所示意图

Airpak软件进行CFD模拟计算的步骤如下[3]：

(1)建模。建立1个room表示这个滚装处(x=17～185 m；y=-14～14 m；z=-2.9～2.8 m，其中：x为船长方向，y为船宽方向，z为船高方向)。建立4个block表示舯部的梯道和艏部的结构风管。在艉部建立1个open作为永久开孔。在艏部建立2个open作为艏部的抽风口；此风口宽2 m，高5 m，风量为137 700 m3/h。此时艏门关闭，不需要建模。

(2)网格划分。网格的质量决定计算结果和精度，Airpak软件会自动生成模型中各个区域的网格[4]。此次计算采用六面体非结构网格，按照Aairpak的默认网格尺寸(x=7.55 m，y=1.4 m，z=0.305 m，分别是房间尺寸的1/20)，产生较粗的初始网格。初始网格数量较少，但是足够表示出几何模型。网格算法选择nomal形成的滚装处所网格。

(3)模拟设置及计算。采用室内零方程进行计算。Airpak的室内零方程模型计算比k-ε双方程精度低，但是收敛迅速，缩短研究周期。CFD计算可以用来求解无明显漩涡的室内流场，适用于计算精度不是特别高的工程计算[5]，其结果见图2。图2显示了艏门关闭时的速度云图，在艏部抽风口处的风速较高，而整个滚装处所的风速不是完全平稳的。

图2 艏门关闭时的速度云图(z=1 m)

2 通风流场的解决方案

当该客滚船在港口进行艏部装卸货时，艏部抽风机运行，风主要从艏门进入，形成了“短路”，导致滚装处所艉部、舯部的气流非常微弱，见图3。所以，仅仅依靠艏部的抽风机无法满足艏部装卸货时的滚装处所通风要求。为了解决以上问题，在货舱内布置隧道风机，见图4、图5。

图3 艏门打开时的速度云图(z=1 m)

图4 隧道风机的安装

图5 隧道风机的布置

隧道风机是一种轴流风机，主要使用在纵向的通风空间里。而客滚船的滚装处所比较狭长，适合使用隧道风机，而且隧道风机一般悬挂在通风空间顶部或两侧，不占用车道空间[6]。

隧道风机工作时，将空间内的一部分空气从一端吸入，经叶轮加速后，从风机的另一端高速喷出，这部分高动能的高速气流将能量传递给空间内的其他空气，产生一定的空气压差，从而推动空间内其他空气一起沿着风机喷射气流方向运动[7]。因此隧道风机在运行时，可以带动周围多倍于风机风量的气体运动。

风机推力是评判隧道风机的大小的主要指标，其计算公式为

F=ρvq

(1)

式中：F为风机推力；ρ为空气密度；v为风机出口的风速；q为风机出口的风量。

隧道风机喷射的气流组织见图6。，在距离风机出口一定距离处的风量计算见式(2)。

d—隧道风机的直径；O′—根据扩散角的风机中心；α—风机出风的扩散角；S—距离风口的距离。

Q/q=4.4(AS/d+0.147)

(2)

式中：Q为风量；A为紊流系数，风机出口取0.24；S为距离风口的距离;d为隧道风机的直径。

布置隧道风机后重新进行CFD计算，得到的速度云图和速度矢量图见图7、图8。由此可见，在布置了隧道风机后，滚装处所的气流通过艏门向室外运动，且风速均大于1 m/s，考虑到艏门宽7.6 m、高5.8 m，其风量已经大于137 700 m3/h，滚装处所的换气次数达到设计要求(10次/h)。隧道风机的应用不仅解决了气流“短路”的问题，货舱的流场也明显得到改善。

图7 隧道风机运行的速度云图(z=1 m)

图8 隧道风机运行的速度矢量图(z=1 m)

3 风道压力损失的计算

风道内的阻力有2种：一种是空气本身的粘滞性和风道摩擦导致的沿程阻力，另一种是风道中的部件导致空气流速大小和方向变化及产生涡流导致的局部阻力。滚装处所的风道一般布置紧凑，滚装处所内的风依次经过钢丝网、消音片、风机、消音片、百叶窗后排到室外，见图9。所以在设计过程中，主要计算局部阻力来决定风机的压力。风管的局部阻力计算公式如下：

图9 滚装处所风道布置图

(3)

式中：P为风道阻力；ζ为局部阻力系数；v1为风道的风速。

滚装处所的风道一般是不规则的，且安装了大量的消音片。由于气流在风道内流速不稳定，且无法查找局部阻力系数，所以用式(3)进行风道的阻力计算产生的偏差是非常大的。

CFD计算具备强大的流场模拟计算能力，通过建模、网格划分和仿真计算后，形成了滚装处所风道的压力云图，见图10。从图10上可以看到：在风机的进风口，最靠近风机处，形成了一个最大160 Pa的负压；而在风机出风口形成了最大80 Pa的正压，但是这个正压区在消音片的前端，而不是在最靠近风机处，这可能是风机出口的高速气流具有很高的动能。由于消音片的阻力，动能转化为静压。通过风道的压力云图，可以直观地看到风机进出口的正压和负压，两处的压差就是风机的选型压力，也是整个风道的压力损失。

图10 滚装处所风道的矢量和压力云图

4 结论

CFD计算是滚装处所通风设计的有效方法，把看不到的风进行了“可视化”，通过速度云图、速度矢量图和压力云图，可清楚地看到滚装处所通风和风道内通风的流场。在某客滚船滚装处所通风系统设计中，研究发现：

(1)CFD可以有效地仿真计算滚装处所内的通风流场。

(2)运用CFD计算发现在艏门打开时滚装处所通风存在流场问题，采用了隧道风机来解决此问题，并通过CFD验证了此方案。

(3)CFD可以准确地计算风道内的阻力，便于风机的选型。