典型舰船通风围阱气流组织数值模拟

马英华，张益诚，王　洋，周　榕

(1.海军装备部 驻沈阳地区军事代表局，沈阳 110031; 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)



典型舰船通风围阱气流组织数值模拟

马英华1，张益诚2，王洋2，周榕2

(1.海军装备部 驻沈阳地区军事代表局，沈阳 110031; 2.中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

摘要：针对采用了导流板和未采用导流板的两种典型舰船通风围阱结构形式的特点，利用计算流体动力学(CFD)技术，建立实船典型围阱结构模型，并对该模型的速度场和气流压力分布进行数值模拟分析。结果表明，导流板通过使风道截面平滑过渡，能明显改善围阱内的流动阻力，是优化通风围阱设计的有效方法。

关键词：围阱；CFD；船舶通风

通常军用舰船舱室相对封闭、人员密集、设备复杂且容易出现空气污染的情况[1]。舰船通风系统用于排除舱室内的浑浊和高温空气，并输入外界的新鲜空气，保障船员的工作和生活条件，提供设备正常运转环境[2]。通风围阱是舰船与大气之间空气流动的通道，是舰船通风系统的关键设备之一[3]。针对舰船舱室特点，优化通风围阱结构设计是保障舰船舱室内空气品质的重要手段。通过改善围阱设计，减小围阱内空气的流动阻力，不仅有利于舰船舱室内的换气效率，而且能减小空气流动产生的噪声[4]。计算流体动力学(CFD)技术是设计流体机械结构的有效方法[5-6]，通过建立典型舰船通风围阱模型，对空气流通在其中流动时的速度场和压力分布进行模拟计算，分析其流动特性，优化通风围阱设计。

1围阱内空气流动特性

空气在流过通风围阱时，其压力损失包括沿程损失和局部损失[7-8]。

典型通风围阱的结构模型如图1所示，两围阱大小相同，围阱内结构横向贯穿整个围阱，且四个T形梁结构等间距布置在整个斜面上。图1a)安装有导流板，图1b)没有导流板。空气从围阱顶部进风，底部出风。

图1　典型通风围阱二维结构图

根据上述围阱结构，采用GAMBIT建立二维模型，采用FLUENT模拟围阱内风速分别为5 m/s时两围阱内空气流动情况[9-10]。围阱内压力分布模拟结果见图2，速度云图见图3。

图2　风速为5 m/s时围阱内空气压力分布云图

图3　风速为5 m/s时围阱内空气速度分布云图

对比分析压力云图和速度云图可以看出，当空气穿过不带导流板的通风围阱时，由于气流会迎面撞向通风围阱内的T形梁(正好是迎风结构)，流经风道的风在T形梁的迎风面处产生流动滞止现象，速度减小为0 m/s，产生滞止静压区，在流道中形成高压区，减少了有效的通流面积，导致主流的速度额外加大。

同时，由于T形梁对流动的阻挡作用，背风处由于绕流形成涡旋流动，导致通过的流体的能量损失。在梯子背风处的空气流速瞬间减小，因而梯子的背风处会产生负压，且T形梁之间的区域的静压值要比主流区域的静压值低，所以主流区域会有部分空气进入2个梯子之间的区域，产生涡旋，这进一步增大了局部压力损失，该局部损失在压力损失中占主要地位。以上2个原因导致在不加装导流板时，气流经过通风围阱的压力损失较大。

而当风经过带导流板的通风围阱时，虽然风在通风围阱入口的渐缩段会产生一定的局部阻力损失，但是沿导流板方向还有一定的速度分量，无论是渐缩段还是渐扩段，速度变化都是渐变的，局部阻力要比不带导流板时的小。而且带导流板时通风围阱的中间一段的风速是不变的，断面风速比较均匀，只需要考虑沿程损失，从计算结果看沿程损失要远小于局部损失。不带导流板的通风围阱中的风速变化往往比较大，所以带导流板的通风围阱的动压损失远小于不带导流板时通风围阱的动压损失。

2压力损失与风速的关系

采用相同的模拟方法计算在不同风速情况下(8，10，13 m/s)空气流经围阱的压力损失(不包含通风围阱进口与出口与外界之间的流动变换而导致的压力损失)。模拟结果见图4～7。

图4　无导流板围阱内空气压力分布云图

图5　有导流板围阱内空气压力分布云图

图6　无导流板围阱内空气速度分布云图

图7　有导流板围阱内空气速度分布云图

通过比较不同风速情况下围阱内气流组织情况，可以看出，随着风速的增大，无导流板的围阱内T形梁的迎风面处局部压力损失显著增大，背风面的负压值明显升高，同时速度分布不均匀性加剧。而在带导流板的围阱内，随着风速增大，尽管压力变化梯度增大，但速度分布仍呈现为比较均匀的状态。

以FLUENT模拟得到2种通风围阱的进、出口压力及之间的压力损失结果见表1、2。

整理计算结果，得到围阱内压力损失与速度的关系见图8。

对上述压力损失的模拟结果进行二次多项式拟合，得到沿程流动阻力与风速的关系。

表1　无导流板时通风围阱压力损失与速度关系Pa

表2　带导流板时通风围阱压力损失与速度关系Pa

图8　两种通风围阱的压力损失与风速的关系

拟合结果表明，带导流板的通风围阱的压力损失要远小于不带导流板的通风围阱。通风围阱在加装导流板后，减小流道压力损失的作用显著，能有效降低流动损失，特别是在风速较大的情况，优化效果更为显著。

3结论

在无导流板的通风围阱内，由于在T形梁结构附近存在滞止现象，导致实际流道变窄，空气流动阻力较大，且气流速度呈现出不均匀的衰减。部分空气高速流动，降低了流动效率，容易产生较大的噪声。而在带导流板的通风围阱内，风速呈现为逐渐变化的状态，流动阻力小于无导流板的通风围阱。因此，在通风围阱中加装导流板可以起到减小风流动的压力损失，尤其是对于风速较大的通风围阱，设置导流板是必要的优化方式。

参考文献

[1] 艾伟，谢田华，高占胜，等.舰船舱室空气质量评价的污染危害普适指数法研究[C]∥航海技术理论研究论文集，北京：中国航海学会，2009:163-167.

[2] 魏莉洁，陈宾康，龚昌奇.船舶与制图[M].北京：人民交通出版社，2002：157-158.

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[10] 王瑞金，张凯，王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京：清华大学出版社，2007.

Numerical Simulation of Air Distribution in Typical Ship Ventilation Wells

MA Ying-hua1, ZHANG Yi-cheng2, WANG Yang2, ZHOU Rong2

(1 Shenyang Military Representative Office of Naval Equipment Department, Shenyang 110031, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:According to the structural forms and features of the two typical ventilation wells, with or without a air deflector, the simulation models are established. The flow characteristics of air in two typical ship's air wells are studied by CFD technology. The numerical results of pressure distribution and velocity field show that the air deflector can smooth the flow in the air channel, is an effective method to optimize ship ventilation wells by reducing pressure loss.

Key words:ventilation wells; CFD; ship ventilation

中图分类号：U674.7

文献标志码：A

文章编号：1671-7953(2016)02-0024-03

第一作者简介：马英华(1985-)，男，学士，工程师E-mail:yc.zhang@foxmail.com

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.007

修回日期：2016-01-21

研究方向:装备质量管理