基于CFD方法的机舱风管风量分配设计研究

巴海涛，金 玲

(中船澄西船舶修造有限公司，江苏 江阴 214433)

0 引言

目前机舱风管的设计缺乏必要的仿真工具，设计人员在详细设计和生产设计中均凭借经验和预估的风阻计算值进行机舱风管的设计和放样，缺乏精确的设计依据。在实际造船项目中，面对一些机舱紧凑、风管布置复杂或部分舱室通风要求比较高的工况时，仅凭经验设计的风管时常会出现部分出风口风量不足甚至风速过低的问题，导致在船舶码头调试期间出现增加风机、调整风管等返工情况。

目前，大量研究集中在整个机舱环境的温度场模拟上[1]，而这些研究方法过于理论和学术化，对于实船的机舱风管的通风模拟较少提及，因而实际工程应用指导意义不大。另外，一些文献虽研究机舱的风管[2]，但未提及确切的应用方法，特别是对通风附件的模型处理、实船的风速测量和数据处理。

本文利用CFD软件对某81 200 t散货船机舱风管进行三维建模和仿真模拟计算，特别是对出风口钢丝网作为多孔介质的模型处理以及对实船风速测量和数据处理提出了建设性处理方法。

1 模型及边界条件的设定

1.1 机舱风管模型及设定条件

某81 200 t散货船机舱左前风机位于烟囱内B甲板，设计流量为43 200 m3/h，通过结构风道和矩形风管将风送至集控室、机修间、机舱下平台和机舱底层的左前区域。根据实际的放样模型，进行逆向三维建模(见图1)；然后根据各个位置的通风需要，初定各风口设计规格、设计流量和设计风速，见表1。各个出口的风栅流通面积比取0.96，主结构风管采用5 mm厚度钢板，主干管钢板厚度为4 mm，支风管钢板厚度为3 mm。

1～17—出风口序号。

1.2 网格划分及边界条件设定

将机舱风管模型导入CFD软件，在进行模型前处理后，进行风管边界划分和网格基础设定。网格模型采用表面重构/多面体网格/棱柱层网格。对于各出风口进行网格加密，实际生成的是六面体网格，见图2。

在边界条件设定上，设定入口为恒定速度进口，出风口均为压力出口，出风口压力采用大气压力。

物理模型的设定上，首先应计算风管内空气流体的雷诺数Re。

矩形风管的水力直径按下式计算：

(1)

式中：Dh为矩形风管的水力直径，mm；A为风管截面积，mm2；P为横截面周长，mm。

(2)

式中：v为矩形风管内管道流速，m/s；υ为空气的动力黏度，υ=14.8×10-6m2/s。

选取有代表性的主结构风管和支路风管计算雷诺数，见表2。对于工业管道，一般Re>2 000即可认为是紊流，所以物理模型选择K-E紊流模型[3]。

表1 各风口规格及设计值

图2 网格模型

表2 主结构风管和支路风管雷诺数计算表

1.3 风管出口钢丝网模型处理

在风管的每个出风口处均配备防异物钢丝网。为了提高计算精确性，实际计算中需要将各个风管出口的钢丝网定义成多孔介质，并在软件中定义该多孔介质的惯性阻力系数和粘性阻力系数。理论上，阻力系数的求解可采用现场试验方法或实际模型计算方法，但因为现场试验条件限制且通过设计手册查得的局部阻力系数不够精确，特采用实际模型计算方法来求解钢丝网的阻力系数。

对实际使用的6 700 μm钢丝网进行1∶1建模，将钢丝网放置在一直径为60 mm、高为150 mm的空心圆柱体内，见图3。将圆柱体的侧壁面定义为滑移壁面(此时系统默认滑移壁面的阻力为0),该圆柱体进出口压力降即为钢丝网的压降值。

图3 带钢丝网的空心圆柱体

分别测定入口风速为2、4、6、8、10 m/s下钢丝网的压力降，通过已知的计算公式进行拟合，可以得出钢丝网的惯性阻力系数Pi=206.04，粘性阻力系数Pv=207.51。

2 机舱风管风量分配分析

2.1 机舱风管初始风量分配分析

按图1模型进行风量计算，进风口定义为恒定速度进口，出风口钢丝网指定为多孔区域，取常规镀锌板的粗糙高度为0.2 mm[4]。根据计算可以得出各风口的出口平均速度。最终各风口的风量计算结果见表3。

表3 风管初始风量计算表

从表3看出，在出风口格栅或者调风门全开的情况下，风口风量偏差较大，17个风口中风量偏差在20%以上的达到了9个；风口4、5、8、9、10风量过多，导致机舱下平台和机舱底层的风口风量大部分都少于理论流量。从出风口的速度标量图来看，单个风口的出口风速并非平均分布，呈现出较大的不规则性。

因风口1、4、5、8、9、10距离主结构风道较近，空气动压较大而实际阻力较小，造成这些出风口的实际风量远超设计风量。而风口2和风口3所在的支路风管是从次风管底部引出的，需要依靠空气静压送风导致在临近风口风量均偏大，因此风量偏少。

在不改变风管基本布局的情况下，可在风量偏小的风口处增加挡板，在风量偏大的风口处减少格栅开度或适当增加调风门角度，见表4。

表4 风管风量分配改进措施表

2.2 风管改进后风量分配

调整后的风量分配结果见表5。协调后的出风口风量基本均匀，每个出风口的实际风量和设计风量偏差控制在10%左右。如果风口调整后各风口风量仍然出现大的偏差，那么就需要对风管进行调整，方法包括增加需要增大的出风口侧向设置内部导流板；对有末端的直段风管的数个出风口采用逐级变径，避免风管截面的突然扩大或缩小；在侧向分支和直角折弯处，要尽量采用导流板及圆滑过渡。

3 风管风速实测验证

3.1 测量准备与测量过程

为保证测试软件计算的准确性，在某建造完成的81 200 t散货船上进行实测。放样人员为了保证出风口出风，在每个风管的中间段出风口处增加了导流挡板(尺寸为250 mm×150 mm×45°)，增加在出风口2、4、6、7、9、10处。本文在模型中也增加了相关挡板并进行了计算。鉴于出风口速度并不均匀，为更准确地测得出风口的平均风速，风量的实际测量采用5点测量取平均值方法(5个测量点分别位于矩形出风口的四角位置和中心位置)。实际测得数据和计算数据的对比见表6。

表5 风管改进后风量计算表

3.2 测量数据分析

由表6可以看出：实测平均风速均大于计算平均风速，平均偏差为28%左右。原因有以下几点：

(1)风栅包边影响实际通流面积。风管出风口的钢丝网或风栅均有宽度约20 mm的包边，部分可闭风栅的端部开度不能达到100%。以常见的350 mm×300 mm钢丝网为例，减去两侧包边后实际通流面积为310 mm×260 mm，实际通流面积仅为原面积的77%左右。

(2)现场制作误差。部分出风口导流挡板未按照实际角度45°进行制作，部分风管因船东要求取消，造成实际风管和模型有差异，这一部分影响无法预估且不容易消除。

(3)实测风速测量误差。采用5点测量平均值法将无法准确得到该风口的平均速度，故实际测得风速和计算风速之间存在一定误差。在实际测量中，如需得到更精确的风速，需要设计特定工装，将出风口完全罩住后，测量出口风速。

3.3 风速修正

综合以上因素，因实际通风面积减小，按照实际通流面积减小25%对计算风速进行修正(计算风速的1.3倍)，修正后的计算平均风速见表7。由表7可以看出：大部分风口修正速度和实测速度偏差控制在10%之内。考虑到部分风口的制作和模型不一致且计算值基本随实测值同向波动，本文认为模型选择和计算值都是可靠的，可以用来计算并指导风管设计。

4 结语

采用CFD仿真手段对机舱风管内的空气流动情况进行仿真，可以极大地改善以往靠定性方法进行机舱风管设计带来的风量分配不均的不确定性，为机舱风管设计和风机选型提供指导，从设计源头规避船舶建造完成后机舱风管可能出现的各种问题。一方面，可以在满足设计要求的前提下实现风管的改进优化，大大减少了现场调整工作量，提高了报验效率，减少了返工及进度延误风险；另一方面，通过阻力校核，避免了过多的风机设计冗余，减少了订货成本。

CFD通风计算分析在上建空调风管、部分狭小舱室通风等方面具有决定性的优势，使得船厂设计走向建模2.0时代，改变以往粗放的设计模式，向精细化设计迈进，真正实现设计指导生产，设计为生产保驾护航。

表7 出风口实际风速测量和计算值对比