LNG船机舱内通风气流组织的数值分析_倪崇本_朱航_丁金鸿_李崇文

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程
V ol.36 No.3 2014
总第36卷，2014年第3期
LNG 船机舱内通风气流组织的数值分析
倪崇本1,2，朱 航1,2，丁金鸿2，李崇文1
（1．中国船舶工业集团公司 第十一研究所，上海 200032；2．上海交通大学 海洋工程国家重点实验室，上海 200240）
摘 要：运用CFD 技术手段，对LNG 船机舱内通风气流组织进行数值分析，消除通风死角产生的安全隐患。

针对风管与舱室形成的计算域形状复杂的问题，机舱通风流场被分解为风管与舱室两个计算域，通过设置通风格栅的边界条件实现数据传递。

采用k -ε湍流模型模拟舱室内通风气流，分析表明机舱内设备与管路对通风效果有明显影响，设备间的空挡存在通风死角。

研究表明CFD 技术是船舶通风设计优化的良好工具。

关键词：LNG 船；舱内通风；气流组织；进气口边界
中图分类号：U664.5 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2014) 03-0057-05
Numerical Analysis of Airflow Distribution in
LNG Ship Machinery Room
Ni Chong-ben 1,2
, Zhu Hang 1,2
, Ding Jin-hong 2, Li Chong-wen 1
(1. Shanghai Shipbuilding Technology Research Institute, Shanghai 200032, China; 2. State Key Laboratory of Ocean Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)
Abstract: On the purpose of eliminating security risks caused by ventilation dead zones, the CFD method is adopted here to carry out a numerical analysis of airflow distribution in the LNG ship’s machinery room. The complicated calculation domain formed by ventilation system is divided into two parts of wind tubes and the room. The boundary conditions of ventilation grids play the role of data transfer . The K-ε turbulence model is adopted. Dead zone between equipments is found out throughout analysis. It is shown that CFD technology provides powerful tools for ventilation optimize in ship design.
Key words: LNG ship; airflow distribution; engine room; inlet-vent boundary condition
安全性能是液化天然气（LNG ）船设计建造时必须考虑的首要问题。

LNG 船采用双燃料系统，将货舱内挥发的气态甲烷回收用作主机燃料。

而甲烷同时又是一种易燃易爆气体，密度小于空气容易在舱室顶部聚集，如果机舱内发生甲烷管道泄漏而又不能及时将气体排出，就会造成极为严重的后果。

因此LNG 船机舱通风系统的必须做到送风均匀，机舱内无通风死角，以避免甲烷聚集。

目前船舶建造工作中，舱室内通风气流组织的主要检验手段为烟雾测试。

但是烟雾测试只有在建造工作基本完成后方能进行，通风系统与舱室布局已经基本定型难以修改。

随着计算机技术的发展，计算流体力学（CFD ）技术逐渐成熟，应用CFD 技术对通风气流组织进行数值分析在工程实践中已经成为可能，提供了在设计阶段对通风系统与舱室布局不合理处进行
修正的手段。

CFD 技术可以有效补充传统理论计算方法的不足。

CFD 在复杂模型建立、无触点流场测量、数据后处理方面有传统方法无法比拟的优势，为通风系统与舱室布局的设计提供了方便、廉价、直观与有效的手段。

国内学者已经开始将CFD 手段应用于通风系统的模拟验证之中，并取得了一定成效。

如彭辉[1]进行了发动机试验间的通风流场分析，重点考虑了温度对室内流场的影响；杲东彦[2]等按假定流速法进行简化后实现了商场通风系统的模拟，安毓辉[3]、张卫东[4]、王亚莹[5]等开展了舱室内通风流场的计算；余建星[6]等采用CFD 手段进行LNG 预冷天然气分液罐的风速场分析，研究了重气泄漏扩散的后果。

然而CFD 手段也存
收稿日期：2013-10-25；修回日期：2014-01-07
作者简介：倪崇本（1982-），男，博士。

主要从事计算流体力学应用研究。

船舶机械
在一些不足，主要是目前将风机、送风口等进出边界在建模过程中过于简化，与实际流体力学特性存在出入；且计算域的多为简单几何形状，远不能满足实际工程分析的需求。

基于对船舶安全性能的需求，某LNG 船船东要求在设计阶段对机舱通风气流组织进行全面的数值分析，为消除通风死角和传感器布置提供依据。

LNG 船机舱总体模型见图1。

图1 LNG 船机舱总体模型
本文运用CFD 手段对LNG 船机舱通风气流组织进行三维数值分析，计算过程中考虑风机、送风口等元器件的流体力学特性，对机舱内流场进行建模，实现通风气流组织的全面分析。

1 机舱通风气流组织分析流程
根据设计信息，LNG 船机舱为自然送风强制排风，整个机舱通风流场应当是以进风口作为入口边界，先后经过舱室、通风格栅、风管，最后由排气风扇为出口边界组成的计算域，已知边界条件为进风口通外界大气视为标准大气压，排气风扇风量为80000m 3/h 。

由于风管截面面积远小于舱室，要求细密的网格划分以正确反映风管内流场，而舱室内部空间相对空旷，希望能够采用相对稀疏的网格以节省总网格数。

另一方面风管与舱室共同构成了一个形状复杂的计算域，风管管壁作为处于流域空间内部的壁面边界条件，会显著增加建模与网格划分的工作量。

因此将整个机舱通风流场进行分解：一部分为风管内流场，以通风格栅为入口边界，排气风扇为出口边界；一部分舱室内流场，以进风口为入口边界，通风格栅为出口边界，参见图2。

图2 机舱通风流场计算域分解
将机舱通风流场计算域分解后，新增的通风格栅边界条件是未知的。

以往的通风气流组织数值分析工作中，通风格栅多是事先假定一个流速，作为速度入口（或出口）处理[7]。

这种方法简单快捷，但并不一定符合实际情况，因为受到风管布局影响，实际风量并非均匀分摊给各个通风格栅。

本文研究工作目的在于为LNG 船机舱通风布局优化提供依据，应当反映机舱内的实际情况，因此LNG 船机舱内通风气流组织的数值分析工作应分为两步：
1）风管内流场数值分析，以确定各通风格栅的实
际流速。

风管内流场以风机排气口为速度出口，通风
格栅作为进气口（由厂商提供局部阻力），计算后得出各个通风格栅的实际风量，为下一步工作提供所需的边界条件。

2）舱室内流场数值分析。

舱室内流场以通风格栅为速度出口，根据前一步计算结果设定各通风格栅的流速，进风口为作为压力入口。

计算后得出舱室内流场速度分布，进行通风气流组织分析。

分析与数据传递流程见图3。

排气风扇
通风格栅
通风格栅
排气风扇
通风格栅
倪崇本等，LNG 船机舱内通风气流组织的数值分析
图3 数值分析与数据传递流程
2 机舱风管流场分析 2.1 风管建模与网格划分
根据设计信息，机舱内为自然送风强制排风，设计通风量为80000m 3/h ，共布置18个相同规格的格栅窗进行通风。

图4为LNG 船机舱风管原理图。

风管原始模型由船厂生产设计部门提供，导入后进行风管建模与修整，图5为修整后的风管三维模型。

然后进行计算区域网格划分，对格栅、管壁的边界处流场网格进行加密，以提升边界层的计算精度，参见图6。

整个计算流域总网格数约65万，网格扭曲率统计见表1，不存在高度扭曲的网格（>90%）。

输出网格后导入CFD 计算软件继续下一步的数值计算。

图4 LNG 船机舱风管原理图
图5 风管三维模型
图6 风管网格划分及通风格栅附近局部放大
表1 风管网格扭曲率统计
扭曲率/(%)
比重/(%)
扭曲率/(%)
比重/(%)
0~10 73.23 50~60 3.01 10~20 9.57 60~70 0.35 20~30 4.52 70~80 0.12 30~40 5.61 80~90 0.02 40~50 3.57 ＞90 0
2.2 风管流场数值计算
按照风管截面面积估算后，风管内最大风速约为30m/s ，远不足0.3马赫，视为无压缩气体流动。

认为管内气流为充分发展的湍流流动，并且需要考虑涡旋，因此选择Realizable k -ε湍流模型。

风管通风流场中不存在随时间变化边界条件等因素，因此选用定常流模型。

风管管壁作为为壁面，取常规镀锌板的粗糙高度0.2mm 。

风机排风口为速度边界，取额定风量80000m 3/h ，将速度方向设定为Z 轴正方向流出。

格栅窗为进气口边界，压强为标准大气压，其局部流动阻力表述为：
2
2
p ζρωΔ=
（1） 其中，ζ为局部阻力系数；ω为局部空气流速，m/s 。

格栅窗局部阻力由厂商提供，ζ排风=2.0，ρ空气= 1.204kg/m 3，拟合后格栅的局部流动阻力为：
Δp =1.204ω2 （2） 控制方程采用SIMPLE 方法求解，压力项采用标准离散格式，动量项、对流项和扩散项均使用二阶迎风格式离散。

第二步
第一步
排气口速度出口
格栅进气口
风管内流场计算
各通风格栅风量
格栅速度出口
进风口压力入口
舱室内流场计算 舱室内流场速度分布 通风气流组织分析
各通风格栅流速
A1 A2
B1
B2C D E F1
F2G4G3H
L P O
R13 S14 S15 V17 V18
W16 O12
N10
O11
N9
U M
I K7
K J5 J6 排风口
F1
F2
G4 G3
X
Y R13
S14
S15
V17
V18
W16
O12
N10
O11
N9
Z
K7 K8
J5
J6
通风格栅
船舶机械
进行迭代计算后流场趋于稳定，然后对流场内流速较高的网格，以及速度梯度较大的网格继续网格自适应细分，以反映流场的细节。

网格自适应后再次进
行迭代计算，直至计算收敛。

计算完成后，对各排风格栅的质量流进行统计，然后换算实际排风量。

表2为风机风量80000m 3/h 的设计工况下各格栅排风量。

表2 风管各格栅通风量
编号
F1 F2 G3 G4 J5 J6 K7 K8 N9
质量流/kg·s -1 1.6174 1.5588 1.6073 1.5419 1.5391 1.4758 1.5412 1.4616 1.5092 风量/m 3·h -1 4753.5 4581.3 4723.9 4531.6 4523.4 4337.34 4529.6 4295.6 4435.5
编号
N10 O11 O12 R13 R14 S15 W16 V17 V18
质量流/kg·s -1 1.4466 1.5038 1.4399 1.4915 1.4951 1.4322 1.2618 1.4602 1.3935 风量/m 3·h -1 4251.6 4419.7 4231.9 4383.5 4394.1 4209.2 3708.4 4291.5 4095.5
3 机舱内通风流场分析
3.1 机舱内流场建模与网格划分
LNG 船机舱内结构复杂设备众多，船东十分关注设备与管路对气流组织的影响，因此要求机舱内通风流场分析必须考虑机舱内设备与管路，不能随意简化模型。

而另一方面，
原始模型中包含大量零件如阀门、
栏杆等，几何形状十分复杂却对气流组织基本无影响，需要予以清除方能进行流场网格划分。

通过沟通经船东同意，不改变机舱内流场基本框架的前提下，按如下原则对模型进行简化：1）将舱壁简化为平面；2）设备简化为箱体；3）忽略管路上法兰、阀门等附件；4）忽略部分体积较小且周围无其他遮挡物的零件。

机舱模型经过简化再进行建模与修整，主要工作是重新绘制机舱内管路，要求管路为连续的几何体，消除各管段之间的重叠、间断或交错问题。

图7为修整后的机舱模型，在机舱边界上开出进风口与18个排风格栅的位置，然后进行机舱内流场的网格划分工作。

鉴于计算域的形状复杂，网格划分采用了四面体的非结构网格形式，总网格数略低于400万。

输出网格后导入CFD 计算软件继续下一步的数值计算。

图7 修整后机舱模型
3.2 机舱内通风流场数值计算
物理模型设置参照节2.2。

进风口处安装了格栅，同样采用进气口边界，压强为标准大气压，局部阻力Δp =1.204ω2。

排风格栅为速度边界，根据表2分别设置流出的风量。

鉴于计算域网格复杂，为避免迭代过程发散先采用层流模型和一阶迎风格式离散进行计算，迭代一定次数后再更改为Realizable k -ε湍流模型和二阶迎风格式离散完成数值计算工作。

3.3 气流组织分析
计算完成后选取典型截面进行气流组织分析。

根据机舱内设备与管路布置，共选择10个截面覆盖了舱室内主要的设备与管系，位于Z =34.00m 、34.40m 、34.88m 、35.00m 、36.00m 、36.18m 、36.78m 、37.00m 、38.00m 、38.64m ，这些位置流场也最为复杂，见图8。

图8 典型截面的位置分布
气流组织分析的主要目的在于查找通风气流不易达到的地方及通风死角，一般是由于障碍物阻挡所产生的涡流区。

涡流区的存在会使空气在涡流区内滞留，会使有害物浓度不断积聚。

对于LNG 船来说，涡流区会使甲烷聚集，在达到一定浓度时产生燃烧或爆炸的隐患。

所以在LNG 船机舱内，应当使通风气流均匀分布，尽量减少涡流区。

涡流区在截面的速度场内表现为低速漩涡，但并非所有截面速度场内的低速漩涡都是通风死角，因为截面是垂直于Z 方向的XY 平面，无法反映漩涡处Z 方向的流速大小。

因此通风死角的判定遵循以下标准：1）寻找截面速度场中的低速漩涡；2）查看该低速漩涡是否连续存在于相邻截面速度场内；3）连续存在于相邻的截面速度场中同一位置的低速漩涡被判定为通风死角，否则说明该漩涡具有
Z=38m Z=37m Z=36m Z=35m Z=34m
Z=38.64m
Z=36.78m Z=36.18m Z=34.88m Z=34.40m (a) 机舱模型透视图
(b) 机舱模型渲染图
倪崇本等，LNG 船机舱内通风气流组织的数值分析
垂直于截面方向的流速，不构成通风死角。

通过对各截面速度场进行检查，在Z =34.00m 、34.40m 、34.88m 和35.00m 的同一位置均发现低速漩涡，见图9中圆圈标记处。

将速度场局部放大后，可见该处因两侧边界阻挡
了有效通风，并且附近没有布置通风口，因而形成一低流速的漩涡区域，见图10。

结合LNG 船机舱的综合布置情况，此处位于两台设备之间，由于设备阻挡形成了通风死角，因此建议在此处增设通风口或布置传感器，避免甲烷气体聚集，参见图11。

图9 舱室内通风气流速度场
图10 通风死角处速度矢量图（Z =34.88m ）
图11 机舱内通风死角位置
4 结论
机舱内设备与管路的布置对通风效果有明显的影响，采用CFD 技术对LNG 船机舱内的通风气流组织进行有效的分析，检查出设备空档之间存在的通风死角，提出通风设计改进的建议，避免甲烷气体在涡流
区积聚而造成易燃易爆的隐患，使得机舱局部区域的火险发生的概率降低。

良好的气流组织不但是机舱通风优化需要考虑的问题，也是安全性需要注意的问题。

CFD 技术是一种高效简洁的方法，能够提供详细流场与具体的风量数据，是机舱通风设计与改进的良好工具。

限于LNG 船建造进度，机舱通风系统建造尚未完成，未来有待开展机舱内通风流场的实地测量，对数值计算结果进行验证，进一步提升通风气流组织数值分析的准确性。

参考文献：
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析[J]. 舰船科学技术, 2012, 34(8): 52-55.
(a) Z
=34.00m
(b) Z =34.40m
(c) Z =34.88m
(d) Z =35.00m。