0 引 言

在船舶设计过程中，无论是船上人员和机器设备都需要合理的通风环境，通风系统的设计是其中重要的一环。在考虑船舶经济性和相关规范规则要求的前提下，为船上人员创造安全和舒适的生活环境是设计人员的首要任务。

目前舱室内的通风状况主要靠烟雾测试来检验。但是烟雾测试只有在建造工作基本完成后方能进行，无法在前期设计阶段提供指导。与传统的理论计算及模型试验预报方法相比，CFD（计算流体力学）技术方便实现无触点流场测量，加之强大的结果后处理功能使得货舱通风的预报更加方便、廉价和直观。目前 CFD 应用软件已经在通风系统的预报方面发挥重要作用，国内学者在相关领域也做了大量的研究工作，如郭昂等^[1]对船舶机舱通风系统进行了数值模拟，并针提出了机舱气流改进方案；王亚莹、张卫东等^[2-3]研究了房间内的气流组织特性以及人在室内的舒适性；江宇等^[4]针对机舱的通风方式对温度场的影响进行了重点分析；余建星等^[5]对 LNG 预冷天然气分液罐重气泄漏后扩散的过程进行了模拟。随着 CFD 技术在工程上的应用日益广泛，将有效改变以往单凭经验的粗放式设计，使通风系统设计更加精细合理。

拉格朗日粒子示踪方法是揭示流体运动规律的一种有效的研究方法，该方法目前已在多个领域得到应用，如王佳男等^[6]基于示踪粒子法对弯曲微通道中液滴内部的混合状态演变过程进行了数值模拟；杨晔等^[7]对核事故后放射性核素的弥散分布以及扩散规律展开了研究。但目前将该方法应用于船舶通风的系统模拟还不多见。

本文对某船舶的货舱通风情况进行分析，并在货舱内的空气流场中引入拉格朗日粒子模型对流体运动进行标记，旨在判别空气在舱室内部的流通是否顺畅，有无空气流通死角，保障人员在舱内的安全性与舒适性。

1 研究对象

以某集装箱船为研究对象，该集装箱有多个货舱，其中 2 号货舱的遮蔽区域较多，具有一定的代表性，故针对该货舱展开研究。首先依据 CAD 图纸对舱室进行三维建模，建好的货舱 2 几何模型如图 1 所示，该货舱的空间大小为：长 28.5 m，宽 17.6 m（半宽），高 19.5 m。

2 数值模拟 2.1 设计方案

为了比较送风管上的开孔朝向对通风系统的影响，在保证排风系统的管路和舱室布置均不变的情况下制定了 3 种设计方案：方案 1 为初始设计方案，送风管上的开孔大小为 0.55 m × 0.55 m 朝向前方的集装箱；方案 2 相较于方案 1 开孔大小不变仅将方向改为朝向舷侧；方案 3 则在保证送风管上开孔总面积不变的前提下，将方案 1 中的 2 个 0.55 m × 0.55 m 的开孔改为 3 个等间距分布的 0.45 m × 0.45 m 开孔。舱室内共有前后 2 个送风管，形式基本相似。图 2 以后面的送风管（图 1 inlet01 处）为例来展示 3 种设计方案的区别。

2.2 计算模型 2.2.1 湍流模型及基本假设

采用 CFD 软件 STAR-CCM+ 对货舱通风进行模拟，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 Realizablek-ε 湍流模型^[8]。按照进风管的截面面积估算后可知管内的最大风速约为 18 m/s，马赫数远未达到 0.3，可视为不可压缩气体流动。假定舱内温度恒定无热量变化，同时假定舱内密封良好，不考虑漏气的情况。

2.2.2 拉格朗日粒子示踪模型

采用拉格朗日粒子示踪方法通常用来描述计算区域内流场和颗粒的相互作用，同时得到颗粒的运动轨迹。计算中，流体作为连续相，采用欧拉法进行处理，固体颗粒作为离散相，用拉氏模型处理。而本次数值模拟中，固体粒子并不是真实存在的，因此不需要指定粒子的具体形状、大小和材料属性等。只需假定粒子的质量为 0，此时粒子与流场间不存在实际的相互作用关系，对空气流动无干扰，仅起到示踪的作用。

2.3 边界条件

该货舱可分为前后 2 个部分，货舱后半部布置了 1 个送风口 inlet01 及 2 个排风口 outlet01 和 outlet02，前半部布置了 1 个送风口 inlet02 及 3 个排风口 outlet03、04 和 05（见图 1）。其中，出口处的压力值与外界大气压一致，为自然通风；墙体的边界条件设置为壁面。由于本次模拟并不涉及到温度、辐射和传热等能量交换，所以墙体不需要进行特别参数的设定。墙体在这个模拟中仅仅是起到了一个阻碍流体流动的作用。各边界面的边界条件如表 1 所示。

2.4 网格划分

这个舱室模型即为计算域，网格划分时，对隔板、楼梯以及管壁的边界处的网格进行了局部加密，以提升边界层的计算精度，整个计算流域网格总数为 320 万。

3 计算结果比较

空气入口附近区域通常都能满足通风的要求，因此计算完成后选取远离送风管开孔的 10 个典型截面进行研究，截面的位置如图 3 所示。在舱室的后部x = 0.56 m 的位置，自下而上编号依次为 1～5；在舱室的前部x = 14.76 m 的位置，自下而上编号依次为 6～10。

图 4（a）中自下而上分别代表方案 1 货舱后半部编号为 1 ～ 5 五个典型截面上的速度分布情况；图 4（b）中自下而上分别代表货舱前半部编号 6 ～ 10 五个典型截面上的速度分布情况；图 5 和图 6 中同理，表示方案 2 和方案 3 从 1 ～ 10 十个截面上的速度分布情况。

为了定量比较 3 种方案的货舱内通风情况，将各截面中的平均风速和最大风速进行比较，如表 2 所示。

分析表 2，比较各个截面平均风速的变化可知，方案 2 设计相比于方案 1 有 6 个截面的平均风速得到了提高，其他 4 个截面的平均风速降低，其中平均上升幅度为 51.0%，平均下降幅度为 13.5%；方案 3 相比于方案 1 仅有 4 个截面的平均风速得到了提高，其他 6 个截面的平均风速降低，其中平均上升幅度为 25.1%，平均下降幅度为 29.8%。由此可知与方案 1 相比，方案 2 对 10 个重点监测区域的空气流通情况有较好的改善，而方案 3 的通风状况基本没有得到改善。

在货舱通风计算过程中，采用拉格朗日粒子示踪的方法有助于更好地监测舱内空气的流通轨迹。通过在速度入口 inlet01 和 inlet02 处添加示踪粒子的发射源，使粒子不断地随入口处的气流一同进入货舱中，同时对粒子的位置和速度进行实时监测。图 7 中 6 幅图片分别表示物理时间t = 15 s 和t = 30 s 时 3 种方案的粒子示踪情况，其中舱内的矩形方框代表集装箱。

比较图 7（a）、图 7（b）和图 7（c）可看出，t = 15 s 时，方案 1 和方案 3 中的粒子主要集中在货舱的一角，而方案 2 中的粒子很快从送风管上的开孔向周围扩散；从图 7（d）至图 7（f）中可看到，t = 30 s 时，方案 1 和方案 3 只有很少量的粒子到达排风管，而方案 2 中的粒子则明显扩散的更快。由此可知，相较于方案 1，方案 2 中的舱内空气流动更均匀，流动的速度也更快，而方案 3 中的通风状况并没有明显的变化，该结论与前面表 2 中数据所反映的情况是一致的。

4 结 语

本文利用 CFD 技术对船舶货舱的通风情况进行数值模拟，得到了货舱内的气流速度分布情况，并利用拉格朗日粒子示踪的方法对货舱的原有空气与后吹入的空气加以区分，且更加直观地观察到吹入舱内的气体流动轨迹。通过对 3 种设计方案进行分析比较，最终确定了更合理的方案。整个数值模拟方法及其结果为工程设计提供了参考依据，通过以上的数值模拟可以得到以下结论：

1）在送风管风量一定的情况下，方案 2 将送风管上开孔朝向空间更开阔的舷侧，有效减少了不必要的气流流速损失。数据分析结果表明，在重点关注的区域方案 2 无论从空气的流通速度还是流动的均匀性都明显优于方案 1 和方案 3；

2）方案 3 在保证送风管上开孔总面积不变的情况，增加了开孔数目，结果表明开孔数目增多对该货舱通风状况影响并不明显；

3）拉格朗日粒子轨迹示踪的方法直观地反映了气体流入到流出的动态情况，可做为观察空气流通状况的重要手段，该方法同样可以应用于舱室内污染物扩散的研究。

4）货舱内的通风系统设计方案除了考虑送风管上开孔的朝向和数目外还有很多影响因素，如送风管的布置、开孔的位置等，有待在后续的工作中进一步研究。