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
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。
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
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
(1)
式中:--柴油机散热量,kW；
--柴油机最大持续功率时的轴功率，主机为187kW，辅机为50kW；
--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：
(2)
式中: --空气冷却式交流发电机的散热量,kW；
--空气冷却式交流发电机的功率,kW；
--交流发电机的效率，当值没有规定时,则按=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
(3)
式中：Q--机舱通风量，m3/s；
--机舱的总散热量，kW；由（1）（2）两式计算可得50.4kW；
--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1.005；
--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4551,辅机和发电机为1820，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。