船用結(jié)構(gòu)風(fēng)道局部阻力損失數(shù)值及試驗(yàn)分析

何卓宇 ，李曉燕 ，余龍 *，黃超 ，李曙剛 ，陳果

（1援海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)，上海 200240；2援高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心（船海協(xié)創(chuàng)中心），上海 200240；3.中交廣州航道局有限公司，廣東 廣州 510006；4.江蘇驥鑫船舶設(shè)備有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引言

船舶通風(fēng)管道系統(tǒng)對(duì)船舶的消防、人員安全和機(jī)艙設(shè)備的正常運(yùn)行都具有重要的意義[1]。船舶結(jié)構(gòu)風(fēng)道利用了船舶自身的結(jié)構(gòu)，一方面節(jié)省了空間，緩解了布置地位型船舶或海洋平臺(tái)散熱需求量大和布置空間缺乏的矛盾，另一方面還能夠加強(qiáng)船舶的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]。目前船用結(jié)構(gòu)風(fēng)道已經(jīng)在一些船舶上得到了成功的應(yīng)用[3]，在挖泥船、滾裝船等布置地位船舶和海洋平臺(tái)上有著良好的應(yīng)用前景。

船用結(jié)構(gòu)風(fēng)道中不可避免的有大量的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)，會(huì)造成顯著的局部阻力損失，然而目前設(shè)計(jì)手冊(cè)中還沒有專門指導(dǎo)結(jié)構(gòu)風(fēng)道設(shè)計(jì)的阻力公式，設(shè)計(jì)只能依賴簡化的經(jīng)驗(yàn)公式[4]。

近年來國內(nèi)外研究開始利用CFD方法模擬風(fēng)管[5-7]，王剛等[8]利用CFD技術(shù)分析了帶內(nèi)支撐的風(fēng)管的阻力特性，其結(jié)構(gòu)與船用結(jié)構(gòu)風(fēng)道十分相似。姚正鋼等[2]用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)了某海洋平臺(tái)上的結(jié)構(gòu)風(fēng)道系統(tǒng)的阻力情況并給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。但仍然缺少對(duì)結(jié)構(gòu)風(fēng)道局部阻力計(jì)算方法的研究，尤其是數(shù)值方法和試驗(yàn)的比較驗(yàn)證，這也是本文的主要工作。本文建立了典型的結(jié)構(gòu)風(fēng)道模型，在試驗(yàn)室進(jìn)行了全尺度試驗(yàn)，分別利用CFD方法和經(jīng)驗(yàn)公式預(yù)報(bào)風(fēng)道模型的阻力損失，以檢驗(yàn)數(shù)值模型的準(zhǔn)確性，并分析了局部阻力損失隨內(nèi)部結(jié)構(gòu)位置、間距和數(shù)量的變化規(guī)律。

1 管道阻力損失經(jīng)驗(yàn)公式

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，空氣流經(jīng)管道所產(chǎn)生的壓差損失由流經(jīng)管道的沿程阻力損失和流經(jīng)管路附件產(chǎn)生的局部阻力損失兩部分組成，其中，沿程阻力損失由公式（1）計(jì)算得出：

式中：駐Pf為管道摩擦阻力損失，Pa；姿為沿程阻力系數(shù)，無因次；L為風(fēng)管長度，m；Dh為水力直徑，mm；v為空氣流速，m/s；籽為空氣密度，kg/m3。

沿程阻力系數(shù)姿的簡化計(jì)算公式為：

式中：著為管壁絕對(duì)粗糙度，mm。

水力直徑Dh的計(jì)算公式為：

式中：A為風(fēng)管截面積，mm2；P為風(fēng)管截面周長，mm。

局部阻力損失的計(jì)算公式為：

式中：駐Pj為管件阻力損失，Pa；孜為局部阻力系數(shù)；籽為空氣密度，取1.226 kg/m3；v為空氣流速，m/s。只要準(zhǔn)確預(yù)報(bào)局部阻力系數(shù)孜就能直接預(yù)報(bào)不同流速下風(fēng)管的局部阻力系數(shù)。

2 結(jié)構(gòu)風(fēng)道數(shù)值模型建立

結(jié)構(gòu)風(fēng)道一般以矩形為主[5]，內(nèi)部設(shè)有肋骨、橫梁等支撐結(jié)構(gòu)。將肋骨、橫梁結(jié)構(gòu)簡化為四邊支撐的常用型材：扁鋼和角鋼。本文選取了遮擋面積為10%的1檔結(jié)構(gòu)風(fēng)道（1檔10%），遮擋面積為10%的3檔結(jié)構(gòu)風(fēng)道（3檔10%）進(jìn)行分析。所有模型外管道形狀均為正方形，尺寸為600 mm伊600 mm，長度為1 887.4 mm，其尺寸參數(shù)和布置位置如表1所示。

表1 模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Internal structural parameters of the model

2.1 網(wǎng)格劃分與計(jì)算參數(shù)設(shè)置

本文中網(wǎng)格劃分采用Octree算法，網(wǎng)格類型選擇四面體/混合網(wǎng)格，三檔風(fēng)道網(wǎng)格分布如圖1所示。壁面無滑移條件，為粗糙壁面，壁面絕對(duì)粗糙度取為0.2 mm。

圖1 三檔風(fēng)道網(wǎng)格分布Fig.1 Grid distribution of air ducts with three intervals

在本文的數(shù)值模擬中，不同模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)量如表2所示。

表2 網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)和單元數(shù)Table 2 Number of nodes and cells

2.2 網(wǎng)格無關(guān)性分析

本文進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性分析，以10%模型為例，10 m/s工況下網(wǎng)格無關(guān)性結(jié)果如表3所示。從表中可得，網(wǎng)格密度2對(duì)于分析結(jié)構(gòu)風(fēng)道模型是合適的，后續(xù)計(jì)算均采用此網(wǎng)格密度。

表3 網(wǎng)格無關(guān)性分析Table 3 Grid independence analysis

2.3 計(jì)算結(jié)果

本文計(jì)算了2個(gè)模型在3種進(jìn)流速度下的阻力損失情況，靜壓結(jié)果如表4所示。

表4 CFD計(jì)算靜壓結(jié)果Table 4 CFD calculated static pressure results

上述計(jì)算結(jié)果顯示，各結(jié)構(gòu)的局部阻力損失和速度基本滿足二次方關(guān)系，與理論公式一致，證明同一結(jié)構(gòu)的局部阻力系數(shù)與速度無關(guān)。其次，局部阻力系數(shù)隨遮擋面積的增大而明顯增大。最后，3檔結(jié)構(gòu)中每檔的平均局部阻力系數(shù)要明顯低于1檔結(jié)構(gòu)，則可能是由于各檔之間距離較小，各結(jié)構(gòu)之間發(fā)生干擾引起的。

3 結(jié)構(gòu)風(fēng)道試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案及設(shè)備

在試驗(yàn)室進(jìn)行了全尺度試驗(yàn)，測(cè)定了在不同風(fēng)速下不同結(jié)構(gòu)的船舶結(jié)構(gòu)風(fēng)道的局部阻力系數(shù)。試驗(yàn)裝置如圖2所示。各模型前后均有一測(cè)壓截面，截面上四邊開孔，用畢托管測(cè)量8個(gè)測(cè)量點(diǎn)的全壓，相減以得到前后壓強(qiáng)差。

圖2 試驗(yàn)裝置圖Fig.2 Test device diagram

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)分別測(cè)量了模型在2組不同速度下的全壓損失，相應(yīng)結(jié)果如表5所示。

表5 試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Results of test

4 計(jì)算結(jié)果分析

將經(jīng)驗(yàn)公式[4]所計(jì)算出的局部阻力損失與CFD結(jié)果、試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表6所示。CFD結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最為接近，優(yōu)于經(jīng)驗(yàn)公式。設(shè)計(jì)手冊(cè)中并未考慮多檔結(jié)構(gòu)連續(xù)布置的影響，因此無法計(jì)算3檔結(jié)構(gòu)模型，這也是經(jīng)驗(yàn)公式不如CFD方法的原因之一。

表6 不同方法結(jié)果對(duì)比Table 6 Comparison of results of different methods

5 討論

5.1 進(jìn)流段無因次長度對(duì)局部阻力的影響

調(diào)整了1檔模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置，使進(jìn)流段無因次長度L/D（L為進(jìn)流段長度，D為管道水力直徑，下同）逐漸增大，如圖3所示。所有模型的測(cè)壓截面均設(shè)置于局部結(jié)構(gòu)前、后方L/D=0.739 5處，結(jié)果如表7所示。

圖3 無因次長度計(jì)算模型Fig.3 Dimensionless length calculating model

表7 進(jìn)流段無因次長度計(jì)算結(jié)果Table 7 Dimensionless length of inlet section

隨著L/D的增大，單檔結(jié)構(gòu)的局部阻力損失系數(shù)明顯減小，且基本滿足線性關(guān)系：

5.2 檔位間距對(duì)局部阻力損失的影響

建立2檔結(jié)構(gòu)間距不同的模型，在保證進(jìn)流段長度和進(jìn)流速度不變的條件下（L/D=0.739 5，v=10 m/s），使模型2檔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的無因次間距駐L/D分別等于 0.667、0.833、1、1.25和 1.66（圖 4），分別計(jì)算了其局部阻力損失和局部阻力系數(shù)，結(jié)果如表8所示。隨著檔位間距的增加，平均單檔局部阻力損失系數(shù)孜與無因次間距駐L/D呈現(xiàn)非線性關(guān)系：

圖4 不同檔位間距計(jì)算模型Fig.4 Various interval spacing computation model

表8 不同檔位間距局部阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果Table 8 Calculations of various interval spacing local resistance coefficients

5.3 增加檔位對(duì)局部阻力損失的影響

以 L/D=0.739 5，駐L/D=0.833及 v=10 m/s為條件，分別對(duì)1檔、2檔和3檔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模計(jì)算，模型如圖5所示，計(jì)算結(jié)果如表9所示。

圖5 增加檔位模型Fig.5 Increment of intervals model

表9 增加檔位計(jì)算結(jié)果Table 9 Calculations of increased intervals

當(dāng)風(fēng)道內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的間距較小時(shí)，增加檔位引起了局部阻力損失增加，但增量較小，增加檔位后的局部阻力系數(shù)與初始1檔的局部阻力系數(shù)之間基本滿足線性關(guān)系：

式中：孜n為增加n檔的局部阻力系數(shù)；孜1為初始1檔的局部阻力系數(shù)。

6 結(jié)語

本文分別采用經(jīng)驗(yàn)公式、數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了船用結(jié)構(gòu)風(fēng)道局部阻力損失的結(jié)果。相比經(jīng)驗(yàn)公式，CFD數(shù)值方法不僅能夠計(jì)算多檔內(nèi)部結(jié)構(gòu)影響，更能準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)風(fēng)道局部阻力損失，可為結(jié)構(gòu)風(fēng)道的設(shè)計(jì)和減阻提供參考。

本文進(jìn)一步分析了結(jié)構(gòu)風(fēng)道的局部阻力損失隨內(nèi)部結(jié)構(gòu)位置、間距和進(jìn)流速度的變化規(guī)律，具體結(jié)論如下：

1）由單檔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的位置變化分析可知，局部阻力損失與進(jìn)流段無因次長度呈線性關(guān)系，對(duì)10%遮擋面積的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，滿足線性公式（6）。

2）兩檔內(nèi)部結(jié)構(gòu)檔位間距的增加，平均阻力系數(shù)隨之增大，滿足三次多項(xiàng)式（7）。

3）對(duì)多檔結(jié)構(gòu)，初始1檔結(jié)構(gòu)的局部阻力損失明顯高于增加的其他檔，且增加各檔后的局部阻力系數(shù)可通過式（8）快速獲得。