2025, Vol. 47
2. 沪东中华造船有限公司，上海 200129
2. Hudong Zhonghua Shipbuilding Co., Ltd., Shanghai 200129, China
水路贸易作为交通贸易的一个重要类型，以其成本低、收益高的特点占据了全球贸易80%以上[1 − 3]，船舶在海面航行时，由于船舶在航行中主机、辅机处于大功率的运行当中，因此会产生大量废弃的高温烟雾，同时，空气流经船体，会形成复杂多变的流场，高温烟雾与原本就复杂多变的空气流场相耦合就会导致其变得更加复杂难测[4]。不仅如此，现代船舶动力系统排出的高温烟气对甲板上方高精度电子设备可靠工作和甲板上人员的生活及身体健康有重要影响[5]，因此开展船舶烟流排放等方面的研究工作非常重要。与传统单体船相比，LNG船的上层建筑复杂，甲板上设备多，设备布局紧凑，烟气在经过这些复杂结构时容易发生分离、涡流和不稳定流动。这会导致船舶表面、特别是甲板和烟囱周围的区域形成局部高温区，增加设备损坏的风险。根据相关文献显示，高温烟气的扩散轨迹与来流风速、风向以及船舶的航速等因素有着密切的关系，同时改变烟囱的高度、烟囱排烟角度的船舶自身参数也会很大程度上影响着烟流的轨迹等现象[6]，因此想要详细掌握船舶烟流场的变化规律具有挑战性。
尽管国内已有大量关于船舶烟气流场的研究，但现有研究主要集中在传统船型（如干散货船、油船、集装箱船）的尾气扩散与环境污染控制[7 − 8]，而针对LNG船的研究仍相对较少。LNG船的独特性在于其运输液化天然气对安全性和环保的高要求，以及船体结构的复杂性，尤其是烟囱布置与甲板设备和工作人员之间的相互作用。本文聚焦于LNG船烟气流场的特殊性，基于风洞模型实验与CFD仿真技术，研究分析某大型LNG船在不同航速、风速和风向角下的烟气流场特性，实现在不同工况下烟气流动轨迹与密度分布的可视化，并据此优化烟囱高度设计，以减少烟气沉积现象，降低对甲板设备和工作人员的热负荷影响，从而提高LNG船的安全性和环保性。
1 数值模型及模型实验本文所采用的目标船型为一艘大型LNG船，该船全长299 m，在模型实验过程中，为了避免模型太小造成的尺度效应和同时受限于实验室风洞尺度的限制，从而选择模型的缩尺比为1∶200（见图1），实尺度船舶的主尺度及相关参数见表1。表中，L为船舶的总长；Lpp为垂线间长；B为型宽；T为设计吃水。关于船舶烟囱高度的系统性研究仍较为有限，而烟囱高度的变化对烟气扩散和颗粒沉降等方面有一定影响。目前，部分船厂在设计烟囱高度时，主要依赖建造师的经验。LNG船烟囱布置图及简要描述见图2和表2。
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图 1 实验及数值仿真模型图 Fig. 1 Experimental and numerical simulation models |
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表 1 某LNG船模型主尺度参数 Tab.1 Main dimensional parameters of a certain LNG ship model |
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图 2 烟囱布置图 Fig. 2 Chimney layout diagram |
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表 2 烟流排气数据 Tab.2 Smoke emission data |
试验模型由木材、胶合板、塑料（3D打印部件）、高密度泡沫和黄铜构成。由于缩放问题，诸如栏杆、楼梯、电线和其他小尺寸的钝体等细节被忽略或合并为集总部分，以获得可靠的阻力表示。该风洞模型实验在丹麦的FORCE Technology公司的边界层风洞中进行，该风洞高为1.8 m，宽2.3 m，全长21 m，最大流速为24 m/s。船的模型被放置在风洞转盘中心，通过旋转转盘来模拟不同风向，实验过程中烟流的模拟选择氦气和大气空气的混合物来模拟，以保证与高温烟气在浮力与动量上的相似。风洞模型实验如图3所示。
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图 3 风洞模型实验图 Fig. 3 Wind tunnel model experiment setup |
本文基于 RANS 方程的 CFD 方法对船舶的烟流场进行求解计算控制方程采用基于压力的耦合求解，其中对流项采用二阶迎风格式进行空间离散，耗散项采用二阶中心差分格式进行离散[9 − 12]。
计算域如图4所示，入口为速度入口，距船首2倍船长，出口为压力出口，距离船尾4倍船长，底部为无滑移壁面，其余边界条件为壁面，左右边界及上边界与船中间距为10倍型宽，上边界与船顶间距6倍型深，满足阻塞率的要求。
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图 4 计算域示意图 Fig. 4 Schematic of the computational domain |
应用STAR-CCM+软件对模型进行了网格划分，网格形式为切割体网格与棱柱形边界层网格。计算域边界至船体表面逐级加密，首尾大变形处加密，船体上层建筑复杂变化处加密，从而保证精确模拟船舶烟流场信息。充分考虑计算过程Y+的选取对计算结果的影响，选取Y+=65，使得计算结果更加准确，边界层层数选为12层，厚度以1.1的倍率递增，总网格数控制在350万左右，网格划分如图5所示。
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图 5 船体网格划分情况 Fig. 5 Mesh distribution of the hull |
为了确保数值仿真对船体周围气流场及烟流模拟的可靠性，将风洞实验在不同工况下的风阻系数与数值仿真结果得到的值进行对比分析，具体结果如图6所示，风阻系数的计算式为：
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图 6 实验与数值结果对照 Fig. 6 Comparison of experimental and numerical results |
| $ {C_X} = \frac{X}{{\displaystyle\frac{1}{2}\rho {U^2}{A_f}}}，$ | (1) |
| $ {C_Y} = \frac{Y}{{\displaystyle\frac{1}{2}\rho {U^2}{A_s}}} 。$ | (2) |
式中：
如图6所示，实验值与仿真值曲线基本一致，且误差最大不超过10%。这一结果表明，所采用的数值仿真方法能准确反映实际工况下的气流和烟流特性，验证了仿真模型的可靠性与精确性，为设计过程中的烟流行为预测提供有效依据。该仿真结果为后续烟流场优化设计提供可靠数据支持。
2 烟流轨迹及烟流密度模拟陆超等[13]研究了相同风速下不同风向角对舰船舰面空气流场的影响，结果表明风向角的变化对舰面上方气流的运动形态有显著影响，尤其在上层建筑附近，气流变化最为明显。吕红[14]利用CFX软件对舰船在多种风速下的气流场进行了研究，并采用VOF方法模拟了自由液面对船体气流分布的影响。以上研究主要针对舰船风向角或风速进行单一因素分析，未考虑综合因素的影响。
为了探究航速、风速及风向角等多种因素对烟流轨迹的影响因素，基于船舶的典型营运状态、实际航程中的气象条件，以及对烟气流场影响规律的全面考虑。选取了实船航速分别为8 kn和19.5 kn，风速为20 kn和30 kn，风向角为60°和120°，其中60°和120°风向角是日常航行中易发生烟流沉积的典型工况。针对这些工况进行了仿真模拟，分析不同航速、风速和风向角等因素对烟流轨迹及烟流密度的影响规律。具体结果见图7～图14。
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图 7 航速8 kn、风速20 kn、风向角60°对应的云图 Fig. 7 Contour plot for a ship speed of 8 kn, wind speed of 20 kn, and wind angle of 60° |
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图 14 航速19.5 kn、风速30 kn、风向角120°对应的云图 Fig. 14 Contour plot for a ship speed of 19.5 kn, wind speed of 30 kn, and wind angle of 120° |
通过图7、图8可以得到，随着风向角的增加，当风向角为120°时，不管从烟流轨迹云图还是烟流密度云图，可知此时的烟尘在船体的右侧产生了严重堆积现象，覆盖了船体尾部大部分甲板区域。该现象产生的主要原因是，此时的来流方向已发生改变，从原本的左前方变成了现在的左后方，且经过船速与风速的叠加后，X方向的来流速度较小，主要的来流方向为Y方向，导致了在船体的右侧区域产生较大速度梯度差，同时产生较大速度涡旋，因此烟尘在船体右侧无法很好地扩散进而产生大量地堆积现象。
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图 8 航速8 kn、风速20 kn、风向角120°对应的云图 Fig. 8 Contour plot for a ship speed of 8 knots, wind speed of 20 knots, and wind angle of 120° |
通过图9、图10可知，由于风速增大且风向角较小时，高温气体都能很好的随风排出，不会对船舶甲板区域产生影响较小。当风向角为120°时，相比于20 kn风速、风向角为120°的工况，随着风速的增大，叠加后X方向的来流速度有所增加，但高温烟流仍在船体的右侧甲板区域有着大量的沉积，同时观察烟流轨迹云图，示出烟流有明显的下沉趋势。这种趋势是由于风向和速度的组合，导致烟尘离船体的高度降低，且在距离船体较远的区域，形成了大量涡旋。
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图 9 航速8 kn、风速30 kn、风向角60°对应的云图 Fig. 9 Contour plot for a ship speed of 8 kn, wind speed of 30 kn, and wind angle of 60° |
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图 10 航速8 kn、风速30 kn、风向角120°对应的云图 Fig. 10 Contour plot for a ship speed of 8 knots, wind speed of 30 knots, and wind angle of 120° |
通过图11、图12可知，随着风向角增大，此时的风向有了和船首方向相同的分量，烟流向船首方向偏移，烟流下沉现象较为明显，在烟囱右侧及甲板区域产生明显沉积现象。随着风速的增加，由图13、图14可知，烟流向船首方向偏移，此时的烟流下沉现象较为明显，在烟囱右侧产生明显沉积现象，但甲板区域基本未见沉积现象。
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图 11 航速19.5 kn、风速20 kn、风向角60°对应的云图 Fig. 11 Contour plot for a ship speed of 19.5 kn, wind speed of 20 kn, and wind angle of 60° |
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图 12 航速19.5 kn、风速20 kn、风向角120°对应的云图 Fig. 12 Contour plot for a ship speed of 19.5 kn, wind speed of 20 kn, and wind angle of 120° |
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图 13 航速19.5 kn、风速30 kn、风向角60°对应的云图 Fig. 13 Contour plot for a ship speed of 19.5 kn, wind speed of 30 kn, and wind angle of 60° |
对比图7、图9及图13，当风速与船速的差值较大时，风速的改变或船速的改变对烟流轨迹及烟流的密度等影响较小，烟流轨迹几乎不会随着风速及航速的变化而产生较大变化，但当航速与船速之间的差值较小时，来流角度相同的情况下，风速的改变会很大程度上影响烟流的流动轨迹以及烟流的密度分布。
对比航速及风速保持不变，只改变风向角的工况，风向角的改变对烟流轨迹有着较大影响，当风向角增大时，烟流受船体背风侧低压区及湍流区的影响，高温烟雾与船侧的漩涡混合在一起，烟雾开始出现下洗现象，从图10及图12可知，大量的高温烟气在船侧的上层甲板区域产生了较大沉积现象，严重影响该区域仪器及工作人员的正常工作。
3 烟囱高度对烟气扩散和沉积的影响为了改善烟流在甲板区域的沉积现象，从LNG船烟囱高度的不同为着眼点，在不改变前面所研究烟囱结构形状的基础上[15 − 17]，将烟囱高度分别增加50、100、150 mm后，经过验证，其他风向角下的烟气流动仍维持之前的良好状态，且烟囱高度的变化并未引起不利影响。因此，本文仅选择风向角为120°的工况进行详细分析。根据前文的计算结果，当风向角为120°时，烟气在船体上层甲板区域的沉积现象较为明显，因此在烟囱优化设计过程中，主要选择了风速为20 kn，航速为8 kn和19.5 kn这2个具有代表性的工况进行重点研究与分析。
对于航速8 kn、风速20 kn的工况，如图15所示，由于此工况下风速与船体叠加后，速沿X方向的来流度接近于0，主要来流为沿Y方向，因此此时的风受船尾上层建筑的阻挡作用，会在船侧区域形成较大的湍流区及低压区，改变烟囱高度后，船体周围的低压区的范围也并没有受到太大影响，因此此时增加烟囱高度后，虽可以一定程度上改善烟流的沉积现象，但效果较差，仍会对上层甲板区域的工作人员产生一定影响。
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图 15 航速8 kn、风速20 kn、风向角120°云图 Fig. 15 Contour plot for a ship speed of 8 kn, wind speed of 20 kn, and wind angle of 120° |
如图16所示，随着航速的增加，调整烟囱高度后可知烟流沉积的现象得到改善，这是因为随着烟囱高度的增加，排烟口越来越接近湍流区上层，烟囱排出的烟雾越可能冲出湍流区，向上发展，逐渐在远离船体的位置下洗，减小高温烟雾在船体上层甲板区域的沉积。
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图 16 航速19.5 kn、风速20 kn、风向角120°云图 Fig. 16 Contour plot for a ship speed of 19.5 kn, wind speed of20 kn, and wind angle of 120° |
对比烟囱高度不进行调整的模型与其他各优化模型的烟流密度云图可知，适当的增加烟囱高度可以改善因船侧低压区的影响而造成烟雾的下洗现象。同时，随着烟囱高度的增加，高温烟尘颗粒在船体上层甲板区域的沉积现象也随之减小，但当达到一定高度后，继续增加烟囱的高度，其改善的效果也随之减弱，同时还可能带来船舶航行过程中阻力的增大。
4 结 语本文以数值仿真和风洞模型实验相结合的方法，研究了航速、风速以及风向角等因素对某大型LNG船在航行过程中的排烟轨迹及高温烟尘沉积现象的影响，同时分析计算结果，在不改变烟囱结构的前提下调整烟囱高度，探究烟囱高度对高温烟雾沉积的影响，通过分析对比得到以下结论：
1）在保持风向角不变的前提下，航速及风速对烟流轨迹的影响主要基于二者的速度差，当二者的速度差较大时，调整风速或者航速对烟流轨迹的影响较小。
2）在航速、风速及风向角等影响烟流轨迹的因素中，风向角的改变对烟流轨迹及高温烟雾的沉积影响最大，风向角的增大可能会造成烟流轨迹在船体周围下洗。
3）对于该类型船舶，适当增加烟囱高度可有效改善烟流沉积现象。烟囱高度的调整可通过优化出气口排气管的突出高度实现，无需对整体烟囱结构进行调整。
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