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      80 000噸級半潛船機艙通風系統(tǒng)數(shù)值模擬

      2022-04-12 10:59:14馮擁軍顧鑫鑫郭月姣董才道馮國增
      江蘇船舶 2022年1期
      關鍵詞:半潛船表面溫度機艙

      馮擁軍,顧鑫鑫,郭月姣,董才道,馮國增

      (1.江蘇科技大學 資產(chǎn)經(jīng)營有限公司,江蘇 鎮(zhèn)江 212000;2.江蘇科技大學 能源與動力學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

      0 引言

      半潛船主要用于裝運超大、超重且不可分割的特殊物體,也可用來運輸大型海上石油鉆井平臺、大型船舶、預制橋梁構件等。半潛船功能多樣,可以實現(xiàn)上浮下潛,具有先進的動力定位系統(tǒng)。隨著深海資源的不斷開發(fā)和國際間合作項目的日益增多,半潛船的需求量必然增大。

      船舶機艙作為船舶主動力驅(qū)動裝置放置的空間,機艙通風狀況的好壞對機艙內(nèi)設備能否正常運行影響重大。船舶機艙通風的目的就是建立并維持機艙內(nèi)適宜的環(huán)境條件(溫度、濕度、空氣流速、清潔度等),以保證柴油發(fā)電機、鍋爐燃燒所必須的空氣量,同時也要保證機艙內(nèi)部良好的工作環(huán)境,改善機艙工作人員正常工作所需的環(huán)境。曾宏強等將全新風系統(tǒng)、循環(huán)冷卻加新風系統(tǒng)及射流通風3種方式進行對比,分析各自的優(yōu)缺點;楊衛(wèi)國提出一種應用CFD技術進行艙內(nèi)大空間氣流組織分布預測以判定機艙大空間通風系統(tǒng)完善程度的研究方法;郭昂等運用CFD技術對海監(jiān)船機艙通風系統(tǒng)進行數(shù)值模擬,并對送回風口形式進行優(yōu)化,改善了機艙內(nèi)的氣流組織分布;趙楠等采用CFD仿真方法和通風評價指標,分析了機艙常規(guī)通風時的氣流溫度場,并在此基礎上引入射流通風,改善機艙的通風狀況;CHEN等運用CFD數(shù)值模擬方法研究機艙內(nèi)不同通風方案下的風速、溫度和濕度分布,選擇合適的通風方案。

      機艙內(nèi)的氣流組織是由風口位置及風量大小決定的,風口高度的合理性會影響艙內(nèi)氣體的流動性,減少渦旋的產(chǎn)生。本文以80 000噸級半潛船機艙為研究對象,應用Airpak軟件對不同風口布置高度的機艙通風進行數(shù)值模擬,找到合適的通風管道布置高度,以維護機器設備的穩(wěn)定運行,保障工作人員正常的工作環(huán)境。

      1 機艙結構及物理模型

      1.1 機艙結構

      80 000噸級半潛船設有前后2個機艙,機艙尺寸為48 m×22.5 m×9.2 m(長×寬×高),2個機艙通風相互獨立。每個機艙分上下層,內(nèi)設2道縱壁,將每個機艙分為6塊區(qū)域。機艙內(nèi)有6臺發(fā)電機組、2臺鍋爐及電氣設備等。機艙通風系統(tǒng)設計需充分考慮結構的影響,確保機艙送風及排風順暢,使發(fā)電機組、鍋爐得到足夠的燃燒空氣,設備散發(fā)的熱量被充分帶走。

      1.2 物理模型

      根據(jù)機艙的實際結構尺寸,將其簡化為48 m×22.5 m×9.2 m(長×寬×高)的長方體結構,機艙內(nèi)的主要熱源是柴油機和鍋爐,而電氣設備等散熱相對于柴油機和鍋爐較少,可以忽略不計。根據(jù)機艙內(nèi)設備的實際結構尺寸,在不影響模擬結果的前提下,將艙內(nèi)設備進行簡化,艙內(nèi)設備及通風系統(tǒng)的數(shù)量和結構尺寸見表1。采用Airpak軟件建立機艙、艙內(nèi)設備及通風系統(tǒng)的三維模型,見圖1。

      表1 設備數(shù)量及尺寸

      1—6 500 kW發(fā)動機;2—4 200 kW發(fā)動機;

      2 數(shù)學模型

      本文假設艙室內(nèi)的空氣流動處于常溫、低速、不可壓的狀態(tài),并符合理想氣體狀態(tài)方程和Boussinesq假設:

      (1)密度變化除了對動量守恒方程浮升力項有影響外,對其他項的影響可忽略,室內(nèi)空氣物性參數(shù)可視為常數(shù)。

      (2)密度差與溫度差成比例,即:

      (-)=(-)

      (1)

      綜合引入的湍流動能方程和湍流動能耗散率方程,得到的模擬室內(nèi)氣流組織的控制方程組如下:

      (1)連續(xù)性方程

      (2)

      (2)動量方程

      (-)

      (3)

      (3)能量方程

      (4)

      (4)方程

      (5)

      (5)方程

      (6)

      式(1)~式(6)中:為參考密度;為流體密度;為容積膨脹系數(shù),1/,取值為3.67×10;為流體溫度;為參考溫度;、為坐標位置;、分別為速度矢量在方向上的分量,=1,2,3;為湍流粘性系數(shù);為粘性系數(shù);為湍流有效粘性系數(shù);為時間;為重力加速度;為流體壓力;為湍動能;為湍流動能耗散率;、、、、、為常數(shù),經(jīng)驗常數(shù)取值可參考表2。

      表2 常用經(jīng)驗常數(shù)

      3 模擬計算

      根據(jù)船舶設計規(guī)范,機艙的通風量為柴油機鍋爐燃燒所需空氣量及排除機艙內(nèi)設備散熱所需空氣量之和。通過計算得到機艙的總通風量為248 400 m/h,每個送風口風量為2.875 m/s,送風風速為2.995 m/s,送風溫度為35 ℃。排風量與送風量相等,則每個排風口風量為11.5 m/s。6 500 kW發(fā)電機的散熱量約為170 kW,4 200 kW發(fā)電機的散熱量約為150 kW,1 900 kW發(fā)電機的散熱量約為100 kW,鍋爐的散熱量約為40 kW。機艙墻壁為絕熱壁面;排煙風道由于保溫層隔熱作用,表面近似設置為恒溫60 ℃。

      模型建立完成后,利用Airpak軟件對其進行網(wǎng)格劃分和獨立性驗證。監(jiān)測點溫度隨網(wǎng)格數(shù)量的變化見圖2。最終選擇設置各向最大網(wǎng)格尺寸,網(wǎng)格數(shù)量為282 046。入口設為等速度入口邊界,出口設為流量出口邊界條件,采用了壓力-速度耦合求解器、SIMPLE算法和二階迎風離散方法,通過前期數(shù)值模型對比選擇了標準-湍流模型。

      圖2 網(wǎng)格獨立性驗證

      4 模擬結果與分析

      選取典型截面的溫度場、速度場,對3種不同風口高度的機艙通風系統(tǒng)進行分析比較。

      4.1 溫度場

      設備表面溫度分布見圖3。從圖3可以看出,設備表面存在著明顯的溫度梯度,由下到上逐漸遞減,可見機艙通風系統(tǒng)對艙內(nèi)設備表面有著明顯的散熱效果。但是,設備下表面的溫度依然較高,設備上表面溫度雖低,但也高于100 ℃,因此機艙通風系統(tǒng)只能排除部分設備產(chǎn)生的熱量,剩余熱量會使艙內(nèi)溫度升高。根據(jù)設備表面溫度分布,如果不是必要情況,工作人員應盡可能遠離艙內(nèi)工作設備,避免造成不必要的危險。圖3為不同送風高度對機艙內(nèi)設備表面溫度分布的影響。從圖3可以看出,3種送風高度下,設備表面溫度分布相差甚微,說明不同送風高度對設備表面溫度分布影響不大。

      圖3 設備表面溫度分布

      圖4為截面=1.73 m處不同送風高度的溫度分布,即工作人員正常工作時人體呼吸區(qū)所在截面的溫度分布。在該截面上,溫度分布都相對均勻,平均溫度40 ℃左右,低于柴油機驅(qū)動船舶機艙要求設計的最高溫度50 ℃,人員在該環(huán)境下可以正常工作,不會出現(xiàn)明顯不適感。

      圖4 Z=1.73 m處機艙平面溫度分布

      風口布置高度為6.5 m時,溫度分布均勻性明顯好于其他兩種風口布置高度。出現(xiàn)這種狀況的原因是風口高度為7.0 m時,此時距離截面=1.73 m較遠,所在截面的溫度分布受設備散熱的影響較大;而由于排煙風道的中心線高度為5.0 m,排煙風管半徑為0.8 m,因此排煙風口和高度為6.0 m送風口距離過近,部分新風剛從送風口送入機艙,隨即又通過排煙風道排出,造成了能源的浪費,能源利用率降低,設備正常工作的散熱排出效率下降,不能有效改善機艙內(nèi)的通風狀況。

      4.2 速度場

      圖5是截面=35 m處3種不同送風高度的送風口速度矢量圖。從圖中可以明顯看出,設備之間、設備與墻壁之間都產(chǎn)生了渦流。由于設備間的布置距離大小的關系,渦流數(shù)量和大小也相應受影響。渦流的存在增強了設備間空氣的擾動,有利于設備表面的散熱。

      圖5 X=35 m處機艙平面速度分布

      當送風風口高度為7.0 m時,空氣形成的渦流主要分布在機艙的中部,設備間的擾動相對于其他兩種送風風口高度的空氣擾動較弱,設備的散熱能力也相應較弱;當送風風口高度為6.0 m和6.5 m時,渦流主要分布在機艙中下部,但是送風風口高度為6.5 m時,渦流區(qū)平均速度為0.5 m/s左右,設備間渦流的擾動明顯更加劇烈,設備表面的散熱能力顯著,設備在此狀態(tài)下可以穩(wěn)定運行,因此船上工作人員在此環(huán)境下工作,不適性會有所降低。

      3種工況的模擬結果見表3。由表3可知,當送風口布置高度從7.0 m下降至6.0 m時,設備表面平均空氣速度逐漸降低,說明設備表面換氣效率有所提高;送風口平均送風速度和排風口平均排氣速度相差不大,說明風口布置的高度對送、排風風口速度影響不大。

      表3 3種工況的模擬結果

      5 結論

      (1)應用Airpak軟件對80 000噸級半潛船機艙通風系統(tǒng)進行數(shù)值模擬,通過對溫度場、速度場進行分析,模擬結果可以對船舶機艙通風系統(tǒng)的設計提供參考。

      (2)模擬結果表明:送風風口高度布置為6.5 m時,機艙內(nèi)的速度、溫度分布都較為合理,機艙內(nèi)設備可以穩(wěn)定運行,人員正常工作無明顯不適感。

      (3)雖然在人員工作區(qū)域溫度分布對人員正常工作無明顯不適感,速度分布也趨于合理,但是設備表面溫度依然較高,長時間工作會使周圍環(huán)境迅速升溫,可以考慮在設備工作區(qū)域添加輔助散熱設備,加速設備散熱,保障設備穩(wěn)定運行。

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