0 引　言

在舰船柴油机机舱中，分布着各类机械设备，包括主机、辅机、泵等，这些机械设备运行受通风量、换气次数、自身热源等因素的影响，会产生热环境，直接影响机舱内的温度分布情况，关系到机舱内设备的安全稳定运行。基于此，有必要运用CFD模型，模拟机舱热环境数值，根据模拟结果对机舱通风系统进行优化设计^[1-3]。

1 CFD模型 1.1 CFD概述

计算流体动力学（CFD）是计算机与流体力学相互交叉的学科，该学科利用计算机技术求解流体控制方程，用于对热环境下的流体力学进行研究。在给定参数的情况下利用计算机软件完成数值模拟，建立多种优化模型，包括对层流、非定常流动、热传、压缩流动等方面的物理模型，求出相应的数值。CFD软件主要包括前处理、求解器和后处理3个功能模块，各功能模块的内容如下：前处理包括建立几何模型、划分研究网格；求解器包括建立控制方程、选择离散方法、在软件中输入所需参数；后处理包括选取温度场、速度场、压力及其他参数，可视化展示计算成果^[4-6]。

1.2 建立CFD模型

在研究舰船柴油机机舱的热环境中，要建立CFD数学模型，主要为控制方程模型，模拟机舱温度场变化^[7]。在控制方程建立前，假定机舱热环境封闭性良好，气体不会流向舱外，且舱外气体也不会流入到舱内，气体流动的质量守恒定律为：

$ \frac{{\delta \rho }}{{\delta \rho }} + \frac{{\delta (\rho \mu )}}{{\delta x}} + \frac{{\delta (\rho v)}}{{\delta y}} + \frac{{\delta (\rho w)}}{{\delta z}} = 0 \text{。} $

式中：u为速度矢量在x轴上的分量；v为速度矢量u在y轴上的分量；w为速度矢量u在z轴上的分量； $ \rho $ 为气体密度，转化为机舱内气体在x，y，z轴上的动量分量模型，公式为：

$ \frac{{\delta \rho }}{{\delta \rho }} + \frac{k}{{{C_p}}} + {S_T} = 0 \text{。} $

式中： $ {C_p} $ 为比热容；k为流体传热系数； $ {S_T} $ 为粘性耗散项。在控制模型中，机舱气体流动较慢，气压变化相对较小，随着温度的变化会引发气体密度变化。在忽略压强变化的情况下，气体密度仅与温度相关，由于机舱内的气体流动属于空气流动，所以选取高雷洛数建立模型，用k表示湍流脉动动能， $ \varepsilon $ 表示流动耗散率，其模型为：

$ {\mu _t} = {C_\mu }\rho {K^2}/\varepsilon \text{。} $

建立一个准静态的模型，对机舱内的气体压力进行预测，通过微分求解，进而获得动态的压力变化函数模型，如下：

$ r_{u,v}^{(\alpha )}(n) = {e^{j\alpha n}}{\bar r_{u,v}}(n) \text{。} $

式中： $ {\bar r_{u,v}}(n) $ 为Sequence-group u的基本序列； $\alpha = 2{\text{π}} {n_t}/ P $ ，其中 $ {n_t} $ 为机舱内气体压力变化率。

由于气体压力变化属于非线性非高斯过程，其函数模型一般描述为：

$ {x_k} = f\left( {{x_{k - 1}},{v_{k - 1}}} \right) \text{，} $

$ {z_k} = h\left( {{x_k},{n_k}} \right) \text{。} $

式中： $ {z_k} \in {R^{{n_y}}} $ 为机舱内探测器的输出测量值， $ {x_k} \in {R^{{n_x}}} $ 为状态变量； $ {v_k} \in {R^{{n_v}}} $ 和 $ {n_k} \in {R^{{n_n}}} $ 分别为静态噪声和动态噪声；采用 ${v_{k - 1}}$ 和 ${n_k}$ 描述零均值加性噪声序列。 $ f:{R^{{n_x}}} \to {R^{{n_x}}} $ ， $ h:{R^{{n_n}}} \to {R^{{n_n}}} $ 为有界非线性映射。

2 基于CFD的舰船柴油机机舱热环境数据模拟 2.1 机舱数据

在建立CFD模型后，运用计算软件对柴油机机舱建模，根据机舱尺寸大小确定机舱布局、机舱功率数据，明确温度过高的局部位置。本次研究的机舱长、宽、高分别为37 m，15 m，17 m，容积为4 200 m³，机舱俯视图如图1所示。在机舱中分布了2台柴油机、减速齿轮箱、主机燃油设备、轴带发动机，前部分布各类型泵，底部分布3台柴油机、空气压缩机、燃油沉淀柜、隔离空舱、压载舱等，中层为主机废气锅炉、热水井、燃油辅助锅炉等设备。

2.2 模拟过程

简化处理机舱内的设备分布，运用三维建模软件建立机舱模型，划分机舱模型的网格类型，构建起非结构四面体网格，网格数量为2145141个。建立网格后，确定边界条件，对必要条件进行数值模拟，以确保获取正确计算结果。根据舰船柴油机机舱设备的实际情况，将主机负荷确定为最大功率的85%，其他参数如下：舱内送风口共53个，空气流速为17.1 m/s，送风口温度维持在30℃～32℃；主机共2台，放热率为固定值，3 454 W/m²；机舱排风口2个，设置排气扇用于排风，压力为170 Pa；排烟管3个，放热率为固定值，245 W/m²；废气锅炉2个，放热率为固定值，55 W/m²；主机增压器2个，增压速度为5.0 m/s，温度维持在30℃～36℃；压载舱内的温度维持在28℃～30℃；燃油日用柜的放热率为28 W/m²；机舱外壁采用绝热材质。

2.3 热环境数值模型

结合上述边界条件对机舱热环境的相关参数进行假定，具体为：机舱外界环境温度变化小，向机舱内流动的空气温度恒定不变，相对湿度忽略不计；选取数据库中已经储存的数据，稳定机舱内的设备工况，通过定义边界流体确定空气放出的热点，忽略不计辐射导致的热环境变化；机舱内的空气假设为常流动状态下的不可压缩气体，忽略不计浮力驱动影响。基于上述条件，建立压力耦合方程组，设立模型，将速度假定为绝对速度，采用Simplec作为压力控制模型，根据2阶迎风方式确定离散精度。

2.4 确定舱内温度场

在CFD分析软件构建的三维模型中，舰船柴油机机舱以立体三维方式展现出来，通过切面显示机舱内温度场的变化，机舱中的温度变化设定为等值线，分别生成Y=0的切面等温线（见图2），以及Z=0.8 m的切面等温线（见图3）。在此情况下，机舱中发电副机处于停止运行状态，机舱后部成为进气口的集中区域，机舱整体的散热量达到最小值。机舱中部不仅分散着热量较大的主机，同时还集中了柴油机的供油设备，此部分的温度明显高于机舱内部其他地方的温度，一般温度不低于38℃，且温度呈梯度变化，越靠近主机，其温度越高，最高温度可达到45℃。机舱前部的泵区分布较多的电动机，导致温度相对偏高，最低温度为37℃，最高温度为41℃。机舱前部未设置废弃排除装置，且通风口较少，使得区域温度始终处于高温状态。

从图2和图3可以看出，舰船机舱后部位置的温度较低，表明此处的通风口设置较多，导致热量散失过快；机舱泵区的通风口比较少，区域内的通风速度较低，温度偏高，应当增加通风口设置；机舱中部两侧的风速加快，加之主机排烟管和供油单元设备体积较大，能够对正常的空气流动产生明显的阻挡作用，所以导致此部位的温度偏高，温度上升呈梯度变化状态。

3 舰船柴油机机舱热环境监测实验分析 3.1 实验设备

在舰船机舱内设置数字式测温系统，系统包括热电阻测温系统、热电偶测温系统等。在测温过程中，温度传感器会将被测温度信号转换为自身电阻值，通过电缆传输信号，直接显示出温度变化，再通过AD转换电路显示出温度值。热电偶测温系统可以将被测温度信号转换为电压值，直接显示出温度值。在机舱内各种设备正常运行的情况下现场测量，对热环境检测系统的测量精度进行校准。

3.2 实验条件

在舰船柴油机机舱中采用计量炉作为热源，温度模仿机舱内部热环境，控制在25℃～45℃，保证温度符合测温系统的实际量程。在实验条件下，热源包括深井台式恒温槽、热电偶恒温槽、S型热电偶，采用热工仪表检验仪对热环境进行测量。在实验过程中，首先需要校准机舱的热环境测量系统和轴承测温系统，采用热电阻温度传感器，校准测量柴油机的测温系统，校准顺序为测量系统、连接电缆温度、温度传感器。从设备上拆卸温度传感器，校准现场计量，当测量系数与直角二等标准PRT测量数据相同时，表明测温系统运行正常，如果出现差异，则要重新调节温度传感器，保证测温系统稳定运行。对比分析实验结果，拆卸测温系统，校准系统后保证热环境模拟测试项目与实际情况相符。

3.3 实验结果分析

舰船机舱内的工作部位是柴油机，重点要对此部位热环境进行检测，测温系统采用Cu50热电阻温度传感器，检定温度传感器在0℃和100℃状态下的电阻值，校验6组测量数据，输出示值误差，如图4所示。锅炉测温系统测量柴油机热环境温度，轴承测温系统测量低压推力轴承温度，在实验室设定4个测量点，当测量误差小于0.05℃时，表明热环境测温系统较为稳定。

柴油机是舰船航行的动力设备，在柴油机运行过程中会产生高温，热电偶温度测量系统主要针对柴油机热环境制冷系统进行测量，实测值误差如图5所示，表明实测值接近于标准值，曲线拟合良好。

利用热工仪表测量电缆的热环境温度，即测量低温段热环境情况，实测值结果如图6所示。表明热环境受到低温段的影响对热传递信号造成干扰，影响测温数据的准确性。将热工仪表校验仪设定为200℃，300℃，400℃，500℃后，读出热电偶温度传感器上的数据，一般机舱中低温段的环境测量数值较为准确。

4 结　语

本文在舰船柴油机机舱的热环境监测中运用CFD模型建立起热环境数值模拟模型，根据模拟结果判断机舱各部位的通风情况，优化设计各部位的通风口和通风量，使机舱内的温度维持在合理范围内。同时，在机舱内安装温度监测系统，实时监控温度变化，保证机舱内部设备安全运行。