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某轮渡机舱通风系统数值模拟

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-12-04  浏览次数:734
核心提示:邱肃肃,郑卫刚,王瑞1引言机舱是船舶的动力、电力中心,是轮机人员进行管理的场所,被人们称为船舶的心脏。但是由于机舱内设备多

邱肃肃,郑卫刚,王瑞

1 引言 

     机舱是船舶的动力、电力中心,是轮机人员进行管理的场所,被人们称为船舶的“心脏”。但是由于机舱内设备多,产热量大,空间相对狭小等原因,导致机舱内温度较高。近年来,随着轮机自动化程度的不断提高,机舱内各种用于监测和控制的精密仪表以及电子设备不断被应用,对舱内温度场的分布提出了更高的要求。但是,目前生产单位在设计和生产中,大都依据经验公式来设计船舶的机械通风系统,其设计效果很难得到检验。[2]如果能在船舶建造之前模拟出舱内的气流组织和温度的分布,将为通风设计提供了一个理论依据,以实现通风系统的优化。国内学者如周山[1]利用FLUENT,梁彦超[2]利用SC/Tetra,赫建伟[3]利用PHOENCIS等计算流体力学软件对大型远洋船舶机舱通风系统进行了数值模拟,收到了良好的效果。但对于内河船舶机舱内通风的数值模拟,却缺少相关研究。本文以武汉长江轮渡”江城二号”机舱为研究对象,对机舱内的空气流动进行数值模拟,这将对今后机舱通风系统的设计具有一定的指导意义。

2 机舱模型的建立

2.1船舶概况

   “江城二号”于2010年投入使用,往返于武昌和汉阳,是现役的长江轮渡中较为先进的型号,额定载客800 人。“江城二号”机舱只有一层,其尺寸为QQ截图20141204095530机舱内主要设备如下:

  主机No.1\2额定功率:220kW\220kW;

  辅机NO.1\2额定功率:50kW\90kW;

  发电机No.1\2额定功率:50kW\90kW;

  主机排烟管直径\长度:0.48m\1.99m,表面温度为70℃;

  No.1辅机排烟管直径\长度:0.2m\4.7m表面温度为70℃;

  No.2辅机排烟管直径\长度:0.28m\4.5m,为备用发电机组,实测时未投入使用。

2.2 机舱模型的简化

    舱外新鲜空气从主甲板后部滤网,经鼓风机加压后,进入位于机舱左右舷侧的进气总管。进气总管上共有大小出风口17个。机舱中部设有排气总管,机舱内气体经由排气总管排出机舱。同时机舱内有大小风扇4个,专门为柴油机降温。

    机舱中影响空气流动的物体很多,有些物体对流场产生很大的影响,有些物体对流场的作用很小,如果每个物体都考虑,必将使模型非常复杂,所以对必须对模型进行适当的简化。简化的基本原则是: 对空间气流流场产生作用较小且温度影响不大的设备管线进行移除;对结构形状复杂,简化后对模拟结果影响较小的设备进行规则化;对曲面作等面积平面化处理。[3]简化后机舱内设备的模型如图1所示。坐标原点选在机舱甲板中部;X轴正向为从左侧指向右侧;Y轴正向为沿船长方向由船艏指向船尾;Z轴正向为竖直向上。

图片1

 注:1 左进气总管;2 右进气总管;3 排气总管;4 No1主机;5 No2主机;6 No2发电机组;7 No1发电机组;8 集中控制室;9海水管系及泵阀区;10 左舷风扇;11 右舷风扇

图1.简化后的机舱布置图

 

QQ截图20141204090738
 

2.3 网格划分

    由于机舱内部空间十分复杂,模型间尺寸相差较大,部分面间夹角过大,网格的划分经过了多次调整并对所建模型进行了相应修改,最终的网格划分如图2。 网格检查结果如图3,结果表明总网格数为315600,网格质量合格.

3 数值模拟过程

3.1机舱热负荷的确定[4][5]

    为简化机舱模型,这里只对主要的发热物体进行统计。包括:两台柴油主机,两台辅机,交流发电机和排烟管。其中辅机和交流发电机同轴连接,作为一个整体来处理。对于机舱内用电设备的放热情况按发电机功率的10%计算。

3.2.1柴油机散热量的确定

根据柴油机散热量计算

QQ截图20141204092208                                 (1)

式中:QQ截图20141204092259--柴油机散热量,kW;

      QQ截图20141204092345--柴油机最大持续功率时的轴功率,主机为187kW,辅机为50kW;

      QQ截图20141204092430--柴油机热损失系数,对于没有具体规定的小型四冲程机可按10%计算。

3.2.2交流发电机的散热量

交流发电机的散热量按下面公式计算:

QQ截图20141204092515                           (2)

式中: QQ截图20141204092609--空气冷却式交流发电机的散热量,kW;

      QQ截图20141204092619--空气冷却式交流发电机的功率,kW;

      QQ截图20141204092628--交流发电机的效率,当QQ截图20141204092628值没有规定时,则按QQ截图20141204092628=94%进行计算。

3.3 机舱通风量的确定[4][5]

  排出散热量所需的总通风量按下面公式计算

QQ截图20141204092849                        (3) 

式中:Q--机舱通风量,m3/s;

      --机舱的总QQ截图20141204093102散热量,kW;由(1)(2)两式计算可得50.4kW;

      QQ截图20141204093640--空气密度,取34℃一个标准大气压下干空气对应的密度值1.15kg/m3;

       C--空气定压比热容,干空气状态同上,为1.005QQ截图20141204093944

      QQ截图20141204094035--机舱内平均温升,按8K计算。

代入实测数据可得 Q=5.45m3/s。

3.4 边界条件的设定 

  1.机舱壁面与江水接触,可以将其设为恒温边界,温度为299k,即26℃;

  2.入口条件设为速度入口,风速7.24m/s.实测送风温度为34℃;

  3.出口条件设为压力出口;

  4.各设备表面的散热情况由前述结果确定,其中主机表面热流量为4551QQ截图20141204100702,辅机和发电机为1820QQ截图20141204100702,废气烟管表面实测为温度70℃;

  5.内部流体设为空气,其它壁面默认为绝热壁面。

3.5 模拟过程[3][6]

    将动量方程求解方式设为分离式压力耦合隐式解法;湍流模型设置为QQ截图20141204100819两方程模型中的RNG模型;激活重力选项,重力加速度为9.8m/s2;压力速度耦合方式设定为SIMPLEC方式;各方程离散方式除压力项设定为标准外,其它设定为二阶迎风方式;计算过程收敛参数监视设定了主机和发电机表面平均温度。监视过程如图4。

 
 
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