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，模型屮充分考虑了船舶动态航行过程小太阳辐射等因素的影响， 采川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，Lt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屮之重。随着装载货物类 型的不同，装载冷藏集装箱的船舱口身内热源负荷有变化；」丄随着航区、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迖到的要求，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:MANBW6S46MC2C；装箱量甲板± 197TEU,舱内 345TEU，总计 542TE U。目标船舶No. 4货舱其规格说明见下表1。 表1 No. 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. 1X11.3 16. 1 X17. 8 8 2480 U标船＜1 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80cmX65cm,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； H标船舶No. 4货舱内有 6个规格为50cmX50cm的冋风口，位于货舱外围壁上部。冷藏集装箱人小、位置都按照 实际尺寸和在舱室内的实际位置布置。在远洋航行过程屮，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，模拟过程小需要考虑这部分内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 k2￡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小。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） 货舱屮的流场是稳态的。本文研究的是经过长时间的连续运行后得到的稳定工 况，在所有的微分方程屮忽略吋间项的影响； 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I韦I大约在3 5°C?45°C,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。 数值模拟屮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￡方程， 可表示为： (\) dt警 +div(P7J =divgradt T)警+ div(PM 二 divgradf k)警+ dW(P閃二 divgrad(￡) dt 警 +div(P7J =div gradt T) 警+ div(PM 二 div gradf k) 警+ dW(P閃二 div grad(￡) Ci ~ Pg - Cip — 式⑴?式⑸中，m——流速矢量U在三个坐标上的分量，i=l, 2, 3分别代表三 维直角坐标系的三个方向； 表2 k-￡紊流模型经验常数 常数 Cu C1 C2 oT o K o e 0. 09 1.44 1.92 0.9 ?1.0 1.0 1.3 1.3边界条件设置 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。在计算过程屮，引用Boussinesq假设⑵，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“problem setup”对话框屮直接输入。本模型屮的 編射换热模型选用的是基于斯蒂芬2波尔兹曼定律的1MMERSOL模型。 1古|体边界条件：紊流流动受壁面影响很大，高血数k-「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Spaldi