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1、第41卷第5期2012年10月船海工程SHIP＆OCEANENGINEERINGVoll41No．5Oct．2012DOI：10．3963／j．issn．1671．7953．2012．05．033船舶進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣特性的數(shù)值研究孫鵬1，鐘兢軍1，王建華2，胡正2(1．大連海事大學(xué)輪機工程學(xué)院，遼寧大連116026；2．中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司船舶系統(tǒng)工程部，北京100036)摘要：采用三維數(shù)值模擬的方法，對某船舶進(jìn)氣系統(tǒng)整體氣路進(jìn)行求解，研究中考慮消音器、豎井、進(jìn)氣蝸殼等結(jié)構(gòu)。采用定常方法研究百葉窗、濾清器、消音器等結(jié)構(gòu)的阻力對進(jìn)氣系統(tǒng)的影
2、響，結(jié)果表明所采用的模擬各結(jié)構(gòu)阻力的方法是有效可行的。采用非定常的方法研究外界條件變化對進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣能力的影響，并得到前后壓差隨測點位置和外界條件的變化規(guī)律。關(guān)鍵詞：船舶；數(shù)值模擬；進(jìn)氣系統(tǒng)；進(jìn)氣特性中圖分類號：U662；0354文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1671-7953(2012)05_0122JD4傳統(tǒng)船舶空氣動力學(xué)研究大多采用風(fēng)洞實測的方法確定流場速度和壓力分布。該方法造價高，耗資大并且在風(fēng)洞試驗中存在著動力相似和幾何相似的影響，還要考慮風(fēng)洞邊界條件的影響和湍流、風(fēng)速、風(fēng)向、雷諾數(shù)等。實驗結(jié)果要進(jìn)行換算，還存在測量點有限、采集數(shù)
3、據(jù)的測量誤差等問題，對于紊亂的流動區(qū)域難以獲得準(zhǔn)確的結(jié)果Ll引。利用數(shù)值模擬的方法研究船舶內(nèi)外流場的流動狀況，對流場參數(shù)進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)的研究方法結(jié)合，可以有效地改善船舶性能、節(jié)約研究資金，提高研究效率。目前，國內(nèi)開展的進(jìn)氣室內(nèi)流場研究中，針對進(jìn)氣濾清裝置和蝸殼內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化的研究相對較多p圳，但是考慮進(jìn)氣室整體結(jié)構(gòu)以及消音器、濾清器等氣動阻力影響的研究很少。同時，航行中的船體由于其外流場所處的環(huán)境的變化、甲板上的各種設(shè)施使空氣流場中包含了流體分離、脫落渦、循環(huán)等諸多復(fù)雜現(xiàn)象【5剖。這些流動的復(fù)雜性直接導(dǎo)致了進(jìn)氣系統(tǒng)內(nèi)部流動的
4、不確定性，其最大的影響就是動力系統(tǒng)進(jìn)氣流量的變化。在某些條件下會引起進(jìn)氣流量不足致使動力系統(tǒng)無法正常工作。進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣流量的變化通過濾清器前后壓差的變化得以體現(xiàn)，因此往往要在濾收稿日期：2011—11—17修回日期：2012一“一22資助項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金第一作者簡介：孫鵬(1979一)，男，博士，副教授研究方向：發(fā)動機氣動熱力學(xué)；艦船內(nèi)外流場空氣動力學(xué)E-man：sunpeng—KIT@dlmu．edu．cn122清器前后安裝壓力探測裝置，當(dāng)壓差大于一定值就會報警，以便及時采取補救措施，增加進(jìn)氣流量。但是在實際工作
5、中，濾清器前后壓差還沒有達(dá)到臨界值，報警器就會報警，給實際工作帶來不必要的麻煩。因此研究濾清器前后壓差隨進(jìn)口流動參數(shù)的變化規(guī)律，并探求壓差變化與測點位置間的關(guān)系是十分必要的。本文用定常數(shù)值模擬的方法研究額定進(jìn)氣條件下進(jìn)氣系統(tǒng)的總體性能；在文獻(xiàn)[6]的基礎(chǔ)上，以周期函數(shù)的形式模擬外流場的變化，對進(jìn)氣室內(nèi)部流場進(jìn)行非定常研究。重點研究進(jìn)口氣流條件變化對濾清器前后壓差的影響，為壓差探測裝置的安裝位置以及敏感度的設(shè)置提出建議。1計算模型和邊界條件1．1計算模型本文研究的某船舶進(jìn)氣系統(tǒng)由前進(jìn)氣室、后進(jìn)氣室、消音器、豎井和進(jìn)氣蝸殼等結(jié)構(gòu)組成。計算
6、模型由Gambit生成，見圖1。其中百葉窗、濾清器和豎井處采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的消音器以及前后進(jìn)氣室則采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。計算域整體網(wǎng)格數(shù)約為159．6萬。1．2邊界條件1．2．1定常計算邊界條件氣體流經(jīng)進(jìn)氣系統(tǒng)的過程中，受百葉窗、濾清器等結(jié)構(gòu)的阻力影響很大，造成較大的壓力損失。因此，為了盡可能真實地反映進(jìn)氣系統(tǒng)的性能，這些部件的阻力是不能被忽略的。但是在數(shù)值模擬中，真實地再現(xiàn)這些部件的具體結(jié)構(gòu)，比如慣性級船舶進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣特性的數(shù)值研究——孫鵬，鐘兢軍，王建華，胡正ZyJ略肯裝置聲器仆≮‘I∽』衛(wèi)j：^爿cbJ，1l·】X：
7、c)‘夠"卅I時I一，t圖l進(jìn)氣系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)，勢必會使計算網(wǎng)格大量增加，增加計算難度和周期。因此，本研究采用Fluent軟件包內(nèi)的Fan邊界條件來直接給出這些結(jié)構(gòu)后的壓力損失，從而使計算簡化。Fan邊界是Fluent軟件包中的一個模型。該模型假設(shè)在流場中存在一個無限小的風(fēng)扇(見圖2)，對其后氣流產(chǎn)生作用，使其后氣流存在一定的壓升。這樣一種壓力的不連續(xù)可以用與速度相關(guān)的方程表示，該方程可以是常量，也可以是多項式、分段函數(shù)或者自定義的某種函數(shù)。本文通過給定一個常量來表示相應(yīng)的結(jié)構(gòu)阻力。圖2F螄模型作用示意具體邊界條件設(shè)置見圖3。百葉窗進(jìn)
8、口給定質(zhì)量進(jìn)口，進(jìn)口流量為燃?xì)廨啓C額定工作流量(本文中所涉及的流量、壓力均以與額定流量的比值形式表示)。進(jìn)氣蝸殼出口給定壓力出口。百葉窗出口、濾清器出口以及進(jìn)氣蝸殼進(jìn)口給定Fan邊界條件。消音器出口和豎井進(jìn)口交界按混和平
