烟囱顶与上建高度差对烟气流场分布的影响

郭晟江，蒋曙晖

（上海船舶研究设计院，上海201203）

0 前 言

船舶机舱内柴油机和燃油锅炉燃烧时产生的烟气都是在烟囱顶排出至大气当中。 受船舶行驶方向、风速和风向的影响，烟气从排气管排出后的流动情况比较复杂， 在个别情况下还会发生回卷现象。 如果回卷后的烟气进入上层建筑处所，则会影响船员的日常生活和身体健康。 某些船东还会对烟囱高度提出加高要求（增加2.5～3.0 m），目的是防止烟气与烟灰回卷。

船舶行驶过程中，由于相对速度关系，与外界空气会产生来风气流，其经过上层建筑后，会在上层建筑和烟囱间形成负压区［1-2］，同时在烟囱背部也会形成负压区。 烟气/烟灰受这部分负压区的作用，会被反卷入负压区， 并通过门窗进入上建内部，对船员工作生活造成影响，见图1。烟灰还会对舱室设备造成一定的破坏，据船员反馈，有时在舱室内会发现黑色的颗粒状烟灰。

图1 烟囱顶烟气、烟灰对上建影响示意图

船舶烟囱和上建高度均需遵循各自的设计要求，为了达到最佳的防止烟尘回卷效果，烟囱高度与上建高之间的高度差需要选择一个合理的平衡点。 目前国内设计人员开始重视关于烟气流场的研究，随着计算流体动力学（CFD）计算分析软件的广泛应用，把烟气对上层建筑的影响从停留在经验设计层面上升到数值分析与模拟仿真计算，以达到更加优化的上建布置。

1 CFD 仿真计算

计算流体动力学（CFD） 已经广泛应用于船舶阻力、自航数值分析等水动力领域，在船舶空气动力学方面也较多，但是对于船舶排出烟气方面的研究还相对较少。 以某5 万吨级散货船作为研究对象，应用STAR-CCM+计算软件，对烟囱顶烟气流场进行仿真分析，计算分析流程如图2 所示。

图2 烟气CFD 仿真分析流程图

1.1 仿真内容

仿真计算主要针对船体空气流场分布、烟囱顶烟气流场分布和考虑烟囱高度变化后的烟气流场分布这3 方面进行模拟。

1.1.1 船舶正常航速航行状态下的船体空气流场分布

船体空气流场是烟气流场分布分析的基础。 为使分析结果具有典型性，选择船舶正常航速航行状态作为仿真场景。 采用Realizable k-Epsilon 湍流模型来模拟船舶在稳定航行工况下的空气流场，选用两层全壁面函数处理模型。 计算域以船体为中心，X轴指向船首，Z 轴垂直向上， 风向从船首到船尾，计算域长为6 倍船长，宽为2.5 倍船长，高为1.5 倍船长。 船身和上层建筑表面使用无滑移边界条件，计算域空气入口选用速度入口边界，空气出口选用压力出口边界，其他边界采用对称边界。 整个计算域网格为结构化网格，并对船体上层建筑附近的网格进行加密，网格总数约为800 万，计算域及船体网格划分见图3 和图4。

图3 计算域示意图

图4 上层建筑网格划分示意图

1.1.2 烟囱顶烟气流场分布

在得到稳定的空气流场后， 再考虑烟气因素。采用多成分气体模型来模拟排出的烟气，采用分离流体温度的求解器， 并用被动标量对烟气进行标记；由于本次仿真主要考虑烟气的分布，因此不考虑气体之间可能存在的化学反应，烟气入口选用质量流量进口边界。 采用非定常求解器，从开始排放烟气起模拟约150 s 物理时间。

1.1.3 考虑烟囱高度变化后的烟气流场分布

烟囱高度变化会对烟气流场产生影响。 对不同高度方案的烟囱分别进行建模，并导入计算域模型中分别进行数值模拟，得到在不同烟囱高度下的烟气流场分布。

1.2 仿真模型

5 万吨级散货船罗经甲板距基线高度为30.45 m，烟囱顶与罗经甲板的高度差范围为0.45～4.45 m，烟囱顶高度超过4.45 m，会影响雷达桅天线信号。 在仿真计算时，为降低计算工作量，高度差以1 m 作为变化步长。

烟气主要通过上建的开口进入船员的生活处所，这些开口包括门、窗和通风口，主要集中在舷侧和船尾方向，尤其是位置较高，与船员日常生活息息相关， 靠近烟囱尤其是面向烟囱的可开启门窗。 比如上建走道的外开门和驾驶室两舷门等经常开闭，通常会被船员保持常开状态的门，对于医务室，如烟气进入，会对病员造成进一步伤害。 相对而言，储藏室、公共浴厕等处所的门窗重要性较低。 进风口，主要是机舱通风、中央空调、厨房及空调柜机。

5 万吨级散货船上建的门、 窗和通风口的分布见表1。 上建及烟囱模型见图5，图中对门、窗和通风口也进行了示意。

图5 5 万吨级散货船上建门、窗和通风口模型图

表1 烟门、窗和通风口分布

1.3 烟气定义

烟气浓度限值是仿真计算的重要衡量指标。 柴油机排出的颗粒物（PM）大多小于3 μm，人呼吸时，被吸入肺部，会造成肺组织的伤害。 不同国家与地区空气质量标准的PM2.5 指标各不相同，参照北美地区的 24 小时 PM2.5标准［3］，对烟气中 PM2.5限值取0.05 mg/m3，此限值为质量浓度值。考虑到PM2.5颗粒在烟气中占比较小，为简化仿真计算量，烟气含量采用了体积分数，限值则借鉴了质量浓度值。

烟气的组分及体积占比如表2 所示。

表2 烟气组分及占比

5 万吨级散货船的柴油机、 锅炉烟气物性参数如表3 所示。

表3 烟气物性参数

1.4 计算风速和航速

1946 年WMO（世界气象组织）推荐的风力分级称为第四蒲福（Beaufort）风标，其定义了海面以上10 m 处风速，且取10 min 平均值。 第四蒲福风标的风力等级及其对应的风速和海面征状详见表4［4］。为降低计算工作量，计算风速取为蒲福2 级、蒲福4级和蒲福6 级，基本覆盖常见风速。 计算航速取为设计服务航速15 kn。

2 仿真结果分析

2.1 船体空气流场分布

船舶正向迎风航行， 在无风且不考虑烟气的情况下， 通过仿真软件模拟得到船体空气流场速度矢量图。 从图6 可以看出，气流经过罗经甲板后在烟囱与上层建筑之间形成一个小型旋涡， 然后在越过烟囱顶后在其背面形成非常明显的旋涡流场。 模拟仿真计算得到的空气流场分布与之前根据经验得到的负压区及旋涡分布示意图是基本吻合的， 这为下一步加入烟气介质进行仿真计算打下了基础。

图6 船体空气流场速度矢量图

2.2 烟气流场分布

不同烟囱高度差、不同风级的流场分布的计算结果见表5， 其中在6 级强风下， 船舶正向全速航行， 烟囱高度差为0.45 m 时的烟气流场浓度分布，如图7 所示。 图7 中蓝色区域为被超浓度限值的烟气所覆盖的区域，可以看到整个上层建筑基本上都已被覆盖。

图7 烟气流场PM2.5 质量浓度分布图（6 级风）

表5 不同烟囱高度差的流场分布示意

2.3 烟气对上建开口的影响分析

以烟气中PM2.5质量浓度限值0.05 mg/m3作为衡量指标，将质量浓度超过该限值的烟气分布区域标记出来，同时考核位于此区域内的上层建筑开口的数量。 不同烟囱高度差下，开口附近烟气PM2.5质量浓度超过0.05 mg/m3限值的门、 窗和通风口数量如表6 所示。

表6 烟气PM2.5 质量浓度超限开口位置与数量汇总表

由上述仿真结果，可以得出：

1）2 级轻风对高度差不敏感，几乎可以不计；

2）4 级和风随着高度差的增加，上建开口受到的影响逐步减少；

3）6 级强风随着高度差的增加，上建开口受到的影响可以降低一点，但影响度还是很大；

4） 4 级和风相当于相对航速13 kn，是船舶常用航速， 在此种情况下上建开口随着高度差的增加，受烟气影响可以得到有效改善。

虽然烟囱顶与上建高度差4.45 m 时，上建开口受烟气的影响较小，但烟囱顶高度还受雷达桅信号灯的布置影响，不能无限制升高。 对5 万吨级散货船而言，比较理想的烟囱顶与上建高度差是2.45 m。

3 结 语

采用CFD 仿真分析烟囱顶与上建高度差对烟气流场分布的影响， 以5 万吨级散货船为模型标本，通过变换高度差值，得到该区域烟气流场的分布情况，并得出以下结论：在船舶常用航速下，上建开口随着高度差的增加， 受烟气的负面影响可以得到有效改善， 为今后评估与改善船员居住区域空气质量环境、优化上层建筑布置提供了一种解决办法。

由于烟气流场除了受船舶航速、外界风速影响外，其扩散分布还受烟气温度、外界环境温度、外界风向的影响，这些可以作为今后的研究重点。