船舶货舱通风系统气流组织的数值模拟研究.doc

船舶货舱通风系统气流组织的数值模拟研究
摘要：基于装载风冷式冷藏集装箱货舱内动态负荷的研究，对货舱空间简化后建立了物理和数学模型，模型中充分考虑了船舶动态航行过程中太阳辐射等因素的影响，采用SIMPLE算法对代数方程的分离式进行求解。通过分析送风和抽风两种方式下货舱内气流组织的温度场、速度场分布情况，提出了优化通风量及通风形式的建议。
关键词：船舶、舰船工程；货舱；风冷式冷藏集装箱；气流组织；通风设计
鉴于当今航运业的发展，能否控制好造船和运营的成本，已经成为船舶行业竞争的关键，而船舱内装载风冷式冷藏集装箱通风技术的发展成为重中之重。随着装载货物类型的不同，装载冷藏集装箱的船舱自身内热源负荷有变化；且随着航区、外界气温、货舱温度、船舶航速及太阳辐射强度等外界的变化，货舱内的总负荷也呈动态变化。
现有的船舱通风散热系统都是按外界最恶劣环境，风机24h连续运行的工况进行通风设计。到外界环境温度降低时，特别是在晚上，浪费能源。为此采用CFD技术，用合适的数值方法求解控制方程，根据已知的外界条件和所要达到的要求，对装载风冷式冷藏集装箱的船舶货舱内气流组织进行数值模拟，研究送风参数对货舱内空气流场的影响。可节约大量时间、人力和物力，同时为改进和优化货舱内通风散热系统的设计提供参考。
1.船舶货舱模型建立
1.1货舱物理模型的简化
本文所研究的目标船舶概况如下：总长138.03m；垂线间长128m；型宽22.4m；型深为11.3m；主机：MANB&W6S46MC2C；装箱量甲板上197TEU，舱内345TEU，总计542TEU。目标船舶No.4货舱其规格说明见下表1。
表1No.4货舱
参数货舱外围壁尺寸/m·m甲板尺寸/m·m设计吃水线/m额定通风量/（m3·min-1）尺寸16.1×11.316.1×17.882480目标船舶No.4货舱的通风形式是采用进风管送风，排风口自然排风。货舱内装载48只20英尺风冷式冷藏集装箱；进风口为矩形，规格为80cm×65cm，进风口对准每一排风冷式冷藏集装箱的冷凝器风机处，相对应有48个进风口；目标船舶No.4货舱内有6个规格为50cm×50cm的回风口，位于货舱外围壁上部。冷藏集装箱大小、位置都按照实际尺寸和在舱室内的实际位置布置。在远洋航行过程中，装在货舱内风冷式冷藏集装箱的制冷装置排出的热量是封闭货舱内热量的主要来源，模拟过程中需要考虑这部分内热源。同时由于远洋集装箱船移动性大，舱内外温差和太阳辐射通过舱壁传入货舱内的热量，在模拟时亦应考虑。
1.2流体力学模型
k2ε方程紊流模型[1具有构造简单、通用性广等]特点，而且对网格的要求较低，故广泛适用各种形式的工程中。本文选用它来计算紊流粘性系数，同时采用了以下的基本假设：
1)货舱中的流场是稳态的。本文研究的是经过长时间的连续运行后得到的稳定工况，在所有的微分方程中忽略时间项的影响；
2)货舱内通风的数值求解视为不可压缩流体。货舱通风的温度波动范围大约在35℃～45℃，在此范围内空气密度的变化率很小，可忽略不计；
3)货舱为封闭空间。流体仅在送风口处流入计算区域，在排风口处流出计算区域。数值模拟中的基本控制方程包括连续性方程、动量方程、温度方程和k方程和ε方程，可表示为：

式(1)～式(5)中，ui——流速矢量U在三个坐标上的分量，i=1，2，3分别代表三维直角坐标系的三个方向；

表2k-ε紊流模型经验常数
常数CμC1C2σTσKσε值0.091.441.920.9～1.01.01.31.3边界条件设置
1)首先假定货舱盖关闭后不漏风，模拟时舱壁考虑辐射的影响，以边界条件的形式输入。在计算过程中，引用Boussinesq假设[2]，即认为流体密度的变化仅对浮升力产生影响。
采用Airpak软件进行舱内气流模拟时，最主要的边界条件是舱室壁面温度，它是通过人机对话从软件内的问题定义“problemsetup”对话框中直接输入。本模型中的辐射换热模型选用的是基于斯蒂芬2波尔兹曼定律的IMMERSOL模型。
2)固体边界条件：紊流流动受壁面影响很大，高Re数k-ε紊流模型仅适用于离开壁面一定距离的紊流区域，在近壁区域采用壁面模型。
按照Launder和Spalding的理论，将边界层划分为粘性底层和对数律层，描述边界层的数学模型如下：

式(6)～式(8)中，Ck——Karman常数，取0.42
E——经验数值，取9.81；
UP——网格点速度；
KP——网格点湍动能；
YP——网格点与墙面的距离；
μ——流体紊流粘滞系数。
3)进口边界条件：货舱通风的进风口一般都易测得送风速度和温度，因而边界条件一般都采用速度进口边界条件。在该模拟问题中，在实船数据基础之上采用模型简化的处理方法，将风口的速度取为平均速度，甲板下1～4层的速度分别为X轴向2.5