氮气发生器周边气幕的研究

陈 勇 刘 振 张晓红 丁 洁

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.上海外高桥造船有限公司 上海200137；3中国船舶集团第七〇四研究所 上海200031）

引 言

氮气是一种理想的“惰性”气体，在空气中的比例约占 80%，工业中使用的氮气大多是从空气中进行提取。氮气在船舶上用途广泛，由于氮气惰化既能防爆，又能很好地保持货物的品质，使其不变质不污染，所以在化学品舱、液化石油气船、液化天燃气船以及运送甲醇的船舶上通常都使用氮气惰化系统。根据船用氮气发生器使用说明，氮气发生器需在空气流动良好的环境中使用，使用过程中注意气体泄露造成的危险，放置氮气发生器的舱室安装氮气浓度检测装置，当泄漏氮气浓度到危险值时，舱室门应从外部无法打开。

本文研究的氮气发生器因舱室空间紧张，与其他船舶设备一起布置在机舱，设备复杂，极易造成空气污染［1］。为了将氮气发生器与机舱其他设备隔离，在氮气发生器顶部安装气幕装置，并配备相应的通风系统，用来及时排出因操作不当产生的危险气体和泄漏的富氧气体。气幕装置在生产生活中的应用较为广泛，其利用高速流动的空气形成气幕，阻挡外界空气进入，起到一个相对隔绝的作用，在气幕控尘、洁净室局部隔离等领域应用较多。杜中华等［2］研究气流在不同射流速度以及缝宽的衰减规律，确定气幕设备的最优参数。魏学孟和周辉［3］通过对气幕风口尺寸、主洁净风口和气幕风速等工作参数的优化结果，从理论上指出气幕射流力是影响气幕隔断的主要因素之一。

本文通过FloEFD对氮气发生器周围气幕的流场进行模拟，并且合理简化模型，通过设定气幕装置各项参数以及边界条件，准确得到氮气发生器周围以及内部流体的流动状态，并进行分析。

1 物理模型建立和边界条件确定

1.1 物理模型建立

由于机舱内环境相对复杂，气幕可以有效地将氮气发生器与机舱环境分隔。气幕装置通过送风管路由四周进行送风，并在对应的出口处不断产生高速气流，形成气幕，将氮气发生器内部与机舱划分成两个相对独立的空间。

本文以氮气发生器和气幕装置组成的系统作为研究对象，选取所在机舱作为计算区域（见图1），采用三维设计软件Solidworks按照氮气发生器和气幕的实际尺寸进行几何建模（见图2和图3）。主要研究氮气发生器周围的气幕，因此忽略机舱内其他设备对整个模拟结果的影响。

图 1 模型计算域

图2 气幕装置

图3 氮气发生器

图 4 自由射流示意图

图 5 平行射流示意图

由于氮气发生器的外形结构相对复杂，为了减小计算量，建模过程中简化了法兰、阀门等部件，同时省去了氮气发生器与气幕装置外部连接的送/排风管路。

1.2 边界条件设置

本文主要研究气幕装置出风对氮气发生器周围流场的影响，整个机舱的空间远大于射流体积，属于自由紊流射流，气流组织基本可视为强制对流型且不考虑有温差送风，一般情况下射流很难保持长距离的层流状态，这是因为射流边界上的剪切层抵抗外界扰动的能力很弱，流体在这里不能像壁面附近那样得到壁面的帮助减小扰动。理论上射流是无条件不稳定的，也就是说即使流动雷诺数很小，射流最终也会完全发展为湍流［4］，所以本文的计算模型采用标准的高雷诺数k-ε湍流模型。方程如下：

式中：C1ε=1.42，G2ε= 1.68；Gk为平均速度梯度引起的湍流能的产生；Gb为由浮力产生的湍流动能；YM为可压缩流体中波动膨胀对总耗散率的贡献；αk和αε分别为αε和ε有效普朗特数的倒数；Sk和Sε分别为用户定义的源项［5］。

射流轴心速度的计算公式为：

式中：Vx为射程x（m）处射流轴心速度，m/s；V0为射流出口速度，m/s；d0为当量直径，m；为送风口的紊流系数。

紊流系数 的大小与射流出口截面积上的除湿紊动轻度有关，紊流系数直接影响射流发展的快慢，紊流值越大，横向脉动大，射流扩散角就大，速度衰减越快，射程越短。紊流系数 值一定的情况下，想要增大射程，可以提高出口速度V0。

气幕装置出口设有格栅，形成多个风口自同一平面沿平行轴线向同一方向送出平行射流。气幕装置相邻两股平行射流距离较近，射流的发展互相影响，射流边界相交，互相干扰并且重叠，可将其设为多股射流形成的一股总射流［6］。

为了简化计算，对氮气发生器周边的条件进行了如下设置：

● 入口边界条件：气幕装置送风1 风速 7.1 m/s、送风2 风速 6.5 m/s；出口边界条件：排风1 体积流量为 400 m3/h；氮气发生器指标：氮气流量 0～30 L/min，输出最高压力为 0.5 MPa；

● 机舱内空气流流动为稳态流动，机舱内气流为不可压缩流体，物性为常数［7］，考虑重力场的影响；

● 室内无热源，假设机舱环境温度恒定为 45℃，甲板绝热，机舱温度场视为均匀温度场；

● 假设氮气发生器所在机舱四周均为环境压力；

● 假定泄漏仅出现在法兰连接处（如图12所示）。

2 网格划分

本文采用四面体网格（见下页图6），并对氮气发生器四周的流场，为了保证计算结果的准确性，细化了氮气发生器装置表面、气幕装置进出风口处这些物理量变化较大区域的网格。

图6 模型网格图

3 模拟结果及分析

3.1 氮气发生器周边气幕模拟结果及分析

以下为氮气发生器现有工作参数下的模拟结果。本文分别在X和Y方向上选取了3个截面（见图7）进行分析，其中截面1和5为气幕装置出风口位置；截面2和4经过排风口；截面3经过氮气与富氧气体管路附近；截面6经过电控箱。

图7 选取截面位置示意图

图8为X方向选取不同位置的2张流场截图。从图中可以看出，气幕装置在现有给定速度的情况下，产生的气幕并没有很好地将氮气发生器与机舱环境隔离，操作箱一侧即右侧气幕出现了不连续，没有到达甲板形成封闭式的阻隔，造成的原因可能由于气幕装置在氮气发生器顶部排风，内部形成负压，电控箱所处的位置正好影响了气幕的充分发展。

图8 X 方向典型流场截面图（v = 6.5 m/s）

下页图9为Y方向选取不同位置的2张流场截图。从中可以看出，由于氮气发生器顶部设有排风，形成负压，导致产生的气幕部分进入氮气发生器内部。从出口到机舱底部这段距离，气幕速度衰减较快，但气幕装置在现有给定速度的情况下，产生的气幕仍然能够有效地将氮气发生器与机舱隔离。

图 9 Y 方向典型流场截面图（v = 7.1 m/s）

图10为气幕装置出口处截面图。从图中可以看出，离机舱底部高度越小，在没有氮气发生器支架阻挡气幕的情况下，生成相对均匀的气幕。

图10 气幕装置出口处截面图

由于向下的过程中，气流在机舱内一侧扩散，气幕速度衰减得也很快，因此当接近机舱底部时，速度最小。

3.2 氮气发生器泄露点模拟结果及分析

本文中氮气发生器受到船舶空间布局的限制，氮气发生器无法在空气流动良好和通风的地方使用。富氧是从氮气分离膜渗透口通过管路排放至大气中，在高压状态下长时间运行，可能会出现泄漏现象，本文对可能出现的泄漏点进行了分析。

图11为富氧区域泄漏示意图，图中红色圈处为法兰连接的富氧气体排放管路，本文假定法兰连接处为可能发生的泄漏点。从下页图12可以看出，部分气幕射流正好经过法兰连接处，将泄漏气体带离氮气发生器内部，避免了泄漏的富氧气体在内部集中，形成安全隐患。

图11 富氧气体泄漏区域示意图

图12 泄漏点射流迹线图

综上所述，在现有流速下，气幕装置产生的气幕在接近机舱底部的位置，存在阻隔效果不佳的地方。由于气幕装置内部排风，形成负压，一部分气流与氮气发生器支架相撞，部分气流被分割进入氮气发生器内部，避免了富氧气体的聚集，消除了安全隐患。然而，气幕被分割后，加上自身向两侧不断扩散，速度衰减较快，导致局部区域划分效果不佳。

4 参数优化

4.1 调整气幕装置出口速度

为了进一步改善气幕划分舱室的效果，对气幕装置出口 1 及出口 2 的流速进行调整。调整结果如表1所示。

表1 气幕装置出口边界条件m/s

下页图 13 为不同速度边界条件下不同方向流场截面图。从图中可以看出，气幕送风 2（X方向截面）速度进行调整后，射流起始段的速度增加，射流从出口位置至机舱底，射流沿中心线的速度分布差异较大，对比表1中的序号 5 和 6，可以看出继续增加送风口流速，对内部流场的影响不大，序号 5 的风速已经起到较好的阻隔效果。气幕送风 1（Y方向截面）速度进行调整后，对氮气发生器内部流场影响较小，不同速度下射流沿中心线速度分布变化差异较小。

综上所述，送风 1 的速度变化对产生的气幕影响较小。调整送风 2 速度可以增加气幕阻隔效果，但对氮气发生器内部的流场影响较小。

第106页的图 14 为气幕装置在初始参数下的迹线图。通过迹线图，可以看到在气幕装置顶部，出现了空气涡旋区域，该区域的空气流动性较差，形成滞流，造成的原因是气幕装置四周是出风口，中心为排风口，出口处与排风口相对风速较高，带动气幕装置周边空气流动，最终在气幕装置内部形成速度较小的涡旋。

图 13 不同边界条件下不同方向流场截面图

图14 迹线图

4.2 调整气幕装置中心区域高度

为了改善气幕装置顶部局部空气流动性较差的情况，对中心区域高度进行调整，研究了中心区域高度变化和对内部流场的影响。

本文对中心区域高度调整如下：增加 1/2 和完全填充中心区域，以下为对中心高度调整后的模拟结果。

图15为调整气幕装置中心高度迹线图。与图14对比发现：当气幕装置中心被完全填充时，滞流区域随之消失，同时射流沿中心线衰减程度减小，说明原气幕装置内的滞流涡旋消耗了射流部分能量。

图15 调整气幕装置中心高度迹线图

5 结 论

本文通过数值模拟的方法分析了现有参数下氮气发生器周边气幕的效果，并通过调整气幕装置部分参数，改善气幕的效果，可以得到以下结论：

（1）研究发现气幕装置在现有流速下，产生的气幕在接近机舱底部的位置，存在阻隔效果不佳的地方，同时在气幕装置内部存在气体滞留区域。

（2）送风 1 的速度变化对产生的气幕效果影响较小，调整送风 2 速度至 8 m/s可以增加气幕阻隔效果，但对氮气发生器内部的流场影响较小。

（3）调整气幕装置内部中心区域中心高度，可以有效地减小涡旋对气幕的影响，当中心区域完全被填充时，产生的气幕效果最好。

上述结论可为后续船舶氮气发生器气幕装置设计起到指导作用。气幕装置尺寸适当增大，可避免氮气发生器框架阻挡对气幕形成的影响；同时增加气幕装置出口的速度，可以增加气幕的阻断效果；气幕装置中心增设挡板与出风口平齐，可避免形成滞流区域并防止危险气体在局部区域聚集。