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user: 4. 数值模拟实例 4.1. 机舱通风模型 机舱的主要设备是汽轮机、燃油锅炉、涡轮增压器、高温除氧器、油水分离过滤器、部分烟管通道等。机舱一般可分为三层，底部通常为各舱室的顶板，顶板为机舱顶甲板，在底层和顶甲板之间为两层格栅。风机通风出口布置在格栅下面。由于舱内有许多设备和管道，结构复杂，必须简化模型，使模型适合于数值模拟。这种模型简化的基本原理是： 1) 复杂结构形状设备的正则化和简化减小对仿真结果的影响。机舱主机的形状非常不规则，所有的绘制都为网格划分，计算难度大大增加，所以简化成规则形状的组合，同样道理锅炉和涡轮增压机组和辅助设备都被正规体所取代。 2) 忽略对流场的热影响和空间流场产生的作用较小的设备。机舱里有管道密布，包括蒸汽管道、烟管和各种水电管道，列出这么多管道是非常困难的。本文模型只列出部分主机入口蒸汽管道和部分烟气管道。 3) 设备壁面的光滑和无厚度处理。通风数值模拟一般认为空气和固体壁面粘性力忽略，空气流经壁无摩擦损失，所以将机舱舱壁和设备等壁面进行无厚度光滑壁面简化。 4) 管道处理。在机舱顶部的主风道，虽然尺寸较大，但对位置较低的流场没有影响。同时支风管尺寸较小，本文不考虑内外热交换管。本文模型管道简化为在风口段为一个立方体，出风口简化为底面。 5) 考虑排、抽风围阱位于机舱甲板顶部，于流场影响不大，以风口面替代。 4.2. 数学模型选择 船舶机舱结构的复杂性是其主要特征，这也导致了机舱空间狭小，空气流动不规则，气流复杂。为了提高计算效率，需要对计算对象进行必要假设： 1) 恒定流场 在实际的空调和通风过程，当空气流以均匀的速度经出风口送到各个舱室，一段时间后，送风空气和舱内空气充分混合达到一个稳定的状态，于是舱内整个流场可视为定常流。 2) 机舱内空气不可压缩。 机舱送风速度较小，密度变化可以忽略，将机舱空气认为是不可压缩的。 3) 符合Boussinesq假设 舱内空气符合Boussinesq假设，即不考虑压力对密度的影响。 4) 机舱为密闭空间 为使机舱通风保持正压，舱内送排空气应保持平衡，因此应视整个机舱为一个密闭系统。 基于上述假设和流体流动理论及其模型的研究，本文选择标准 k − ε 双方程模型作为通风系统的数学模型。在近壁问题中，采用壁面函数法进行处理。由有关数理理论，文章选定模型在湍流和近壁层流区的计算都能满足计算要求，是通风空调领域常用的数学模型之一。 4.3. 风口位置对气流组织的影响 通过对气流组织各种形式的比较分析，本算例采用下送上回的送风方式，选择在两层格栅的底部均匀布置送风口，这样可以使下部区域的空气均匀，顺利地消除舱内下部的热量。根据风口布置的原理，通常将风口布置散热量较大的设备附近，所以主机和锅炉附近区域应增大送风量。根据空气量的计算结果，与上述安排，本算例初步安排如下风口位置、数量以及尺寸为在风口的尺寸是0.4 × 0.2 m，方向为垂直向下，其中第一层格栅个数25，第二层为28个，具体分布见图2。 据送风口和回风风口的分布情况，文章选择了六种风口布置方案进行模拟比较。方案1设置单回程回风，回风口位于舱顶中央。方案2为双回风布置，回风围阱距离为6 m。方案3为四回出口，并均匀设置在锅炉的顶部位置，侧向送风口通过风阀调节开闭状态。具体方案如表1所示。 4.4. 速度场分析 经过模拟运算后，可以从热负荷分布看， y = 0   m 横截面之间的两锅炉主机的右侧部位，是最大的散热面积，该区域与回风口正交，故流场也最为复杂。下面选取 x = − 8   m 和 z = − 3.5   m 截面来分析机舱下部区域的气流组织，选定截面位置见图3。 速度矢量图可以显示空气的流向和速度，因此本文用速度矢量图反映机舱内气流情况。通过对仿真结果的分析，在机舱控制室下部增加送风口和回风口位置的变化之间的影响非常小，其速度矢量图与气流结构相似，因此，文章只选取在 y = 0   m 的截面上的方案1至4的速度矢量图进行分析，如图4所示。 如图4所示，我们可以看到在 y = 0   m 截面，每个方案的送风量是相同的，但气流组织形式存在较大的差异的。 1) 在方案1中，机舱上部的空气流向顶部中间区域，而在回风口附近的气流速度较快。同时在锅炉和主机右侧有大量回流现象。 2) 方案2中由于设置了双回风口，增大了回风面积，但总回风量保持不变。对主机两侧的气体可以有效地抽除，而锅炉侧仍有大量回流，虽然回风面积有了加大，但单个回风口的风量却减少了一半，表 图2. 机舱风口分布图；(a) 第一层格栅；(b) 第二层格栅 Table 1 The scheme of the air inlet and outle 方案 侧向风口状态 出风口形式 1 关 单出风口 2 关 双出风口 3 关 四出风口 4 开 单出风口 5 开 双出风口 6 开 四出风口 表1. 风口布置方案 图3. 机舱分析截面示意图 图4. 在y = 0 m截面上的速度场云图；(a) 方案1；(b) 方案2；(c) 方案1；(d) 方案2 明回风速度下降了，所以上升到顶部的气体不能及时排除，同时阻碍下面气体的有效传输。 3) 方案3是从整个舱室的余热分配考虑的回风方案。锅炉侧热约为主侧的两倍，风口位置设计时侧部布置较多，风量也大。但主机侧没有安装回风口，使主机侧气流向锅炉侧整体运动，一部分从机舱中部排出，而一部分则继续测流与锅炉侧气流合流，从而在机舱中部形成一个较大的漩涡场。 4) 方案4的流态与方案1基本相同。类似地，方案5和方案6类似于方案2方案3。 通过上述比较和分析，如将回风口设置在锅炉侧的顶部，有利于锅炉侧气体的顺利消除，而机舱气流的整体结构也较为合理。根据分析，可以根据舱内空气量的分布确定回风口的位置，因此方案3和6的回风形式是上述方案中最好的。 选取 x = − 8   m 截面及 z = − 3.5   m 截面来分析增加的侧向风口对机舱气流组织的影响。数值模拟结果如图5和图6所示。 从图5(a)即方案3可以看出，在机舱控制室下部的气流形成一个大涡流。涡流从舱壁的左侧开始，沿着主机壁上升并回流到风口位置，同时气流从漩涡边界至中心呈现逐渐减少的趋势。该漩涡可以通过图6(a)进一步分析，图形显示控制室下部向主机侧运动气流较多，但向机舱中部区域的气流较少，这表明该涡流处于一个相对静止的状态，气体大部分在控制室下部流动，其结果是导致空气置换效果差。通过分析，该区域气流的合理组织形式是让控制室的下部气流绕过它，再上升到顶部。从图5(b)和图6(b)中可以看出，在增加斜向送气口之后，控制室下部的气流发生了明显的变化，大漩涡消失，因此，方案6比方案3的下空气置换效果要好。 4.5. 局部气流组织的改进 由于机舱内气流分布非常复杂，在通风过程中总会出现死角及漩涡，但必须避免存在安全隐患或影响较大的流场死区和漩涡。在假定通风方式不变的情况下，消除通风死角或者漩涡可参考以下两种方法。一是设置气流障碍物，虽然障碍物对舱室内气流阻力的影响是非常大的，但这种方法无疑凭空增加了通风空间的不必要的障碍，在实际工程中很少使用。二是采用主动诱导通风，在死区和漩涡区布置风口，该方法需要重新调整机舱通风系统，在小型船舶影响显著 [ 11 ] 。 图5. 在x = −8 m截面上的速度场云图；(a) 方案3；(b) 方案6 图6. 在z = −3.5 m截面上的速度场云图；(a) 方案3；(b) 方案6 算例中气流至底部后自下而上流动，各种障碍物迎风面不存在气流滞留区，算例采用在主机右侧安装隔屏来消除此漩涡，隔屏位置如图7所示。 设隔屏的宽度为4米，高5米，隔屏的宽度与主体右侧的宽度相同，底部第一层格栅的上方，高度超过第二层格栅，这个高度正好是生产的漩涡的顶部，气流会在这个高度与隔屏相碰撞。模拟时选取送风温度为37℃，送风气流速度为9.4 m/s，模拟计算完成后，选取 y = − 0.5   m 的截面来定性分析效果。隔屏安装后气流的分布如图8所示。 图9(b)显示了在安装隔屏后主机面板右侧的速度矢量图。图9(b)没有按照隔屏的气流速度矢量图9(a)相比，由于隔屏的阻隔效果，主机上部的气流得到了提前提升，并且让贴附主机右侧壁的气体能够直接排放到机舱顶部的位置，从而从回风口排出，而位于隔屏位置处的漩涡消失。如图9(b)所示，锅炉和机舱中间的气流被引入到锅炉控制台的顶部，其结果是，来自右侧舱壁的上升气流产生少量回流，但不会产生大的漩涡，在短距离与其他上升气流汇合后，不会产生热量积聚的问题。图9显示只要条件允许的情况下，通过合理设置隔障可以有效提高气流死角和漩涡的通风效果。 图7. 隔屏安装位置示意图 图8. 机舱气流流线图 图9. 加装隔屏前后机舱速度场云图比较；(a) 加装之前；(b) 加装之后