0 引　言

随着世界船舶制造业数字化智能化的高速发展，船舶设计质量要求更加严格，强国战略的行动纲领中明确指出，我国需重点关注海洋工程装备与高技术船舶领域^[1]。船舶机舱是船舶的核心部位，机舱内部重要设备多，管线复杂，机舱设备愈发精密化，也对机舱人员与设备的工作环境提出了更高要求^[2]，包括对机舱内的温度环境与振动噪声环境的改善等。其中，机舱通风系统是影响舱内温度场的直接因素，缺陷的机舱通风系统将导致机舱的热量发生堆积，使得局部温度超过规范的最高数值，对船舶运行造成巨大安全隐患^[3]。

船舶机舱通风大部分采用机械通风与自然排风相结合的方式，机械通风主要由轴流风机、通风管道，布风器组成^[4]。Reneke等^[5]应用CFAST区域模拟程序，对机械强制通风与自然通风条件下对某船舶舱室失火的影响进行研究；江宇等^[6]通过调整风机开度，调节舱室机械布风口位置，安装舱内隔屏来消除气流漩涡，改善了舱室活动区域的速度场与温度场；刘倩等^[7]对某2000 t海上风电安装平台的机舱通风系统进行优化，从通风管道的路径、风量分配和风管结构等方面制定方案，完成了风管与风量的优化；蒋仕伟等^[8]利用CFD方法对闭式机舱系统进行优化，通过增设布风口与排风口改善气流组织，消除了机舱通风中初步设计方案存在的问题；谷家扬等^[9]通过引入射流喷嘴送风，避免了机舱的通风死角；梁彦超等^[10]利用CFD技术对某集装箱船的风口进行了流场模拟，并提出风口的优化方案；杨勇等^[11]通过对无风管诱导风机与喷嘴的选型与布置优化，改善了无风管时舱内的气流组织。

综上可知，目前关于机舱通风的研究，大多针对单个舱室及其内部布风口的优化分析。而实际的机舱则被划分为多个舱室空间，并由通风管道整体贯通，不同舱室的气流组织相互影响，因此，对机舱整体进行热流场仿真很有必要。本文利用CFD方法，以某热带作业的海洋工程船舶作为研究对象，舱内备有热带作业时开启的冷风机，可对机舱热环境进行优化并减少机舱内出现的局部高温，其布置优化对于船舶设计具有一定的指导意义。

1 机舱模型与通风环境设置 1.1 机舱模型

本文以某型挖泥船的机舱布置为参考进行散热优化研究，其机舱通风系统如图1所示。

模型内包括柴油机、发电机等主要热源，以及冷风机、机舱通风管道与轴流风机等散热元件，为提高计算效率，模型中将柴油机等复杂热源简化为规则的几何体。

机舱的舱室空间可划分为下层机舱空间、上层机舱空间、风机间、烟囱及分油机间，分油机间内放置有分油机与供油单元等热源，分油机间与上层机舱空间以壁面分隔；上层机舱空间设有辅柴油机与热单元；上下层机舱之间设有开口，以保证空气流通，机舱空间划分与系统组成如图2所示。

工作状态下，风机间向通风管道内输送空气，空气流经通风管道至各机舱空间内部进行换热，并最终通过烟囱排向外界。此外，分油机间内设置有一条独立的抽风管道，管道内设置有轴流风机用以抽出分油机间内的空气，以保证分油机间内气体拥有较高的流动效率，该管道末端通至烟囱出口附近，并在烟囱出口设置有百叶窗。

1.2 控制方程

本文研究的机舱换热问题主要涉及数值传热学与计算流体力学。机舱内的气体流动为湍流流动问题和对流换热问题，为保证计算精度，湍流模型选用realizable K-Epsilon模型，机舱内流体为不可压缩理想气体，流体密度符合Bouss-inesq假设，并将机舱内的流体流动和传热视为稳态过程。

热对流指宏观上冷热流体流动引发的热量传输现象，一般分为自然对流与强制对流，影响对流换热的主要因素为流速、换热面积及温差，换热量计算式为：

$ Q=hA\Delta t。$

(1)

式中：Q为物体表面的散热量，J；h为对流换热系数，W/(m²·K)；A为换热面积，m²，∆t为温差，K。

计算流体的运动问题需满足质量守恒与动量方程，控制方程可表示为连续性方程与纳维-斯托克斯（N-S）方程，其表达式^[12]为：

$ \frac{\partial\rho}{\partial t}+\frac{\partial(\rho v_x)}{\partial x}+\frac{\partial(\rho v_y)}{\partial y}+\frac{\partial(\rho v_z)}{\partial z}=0，$

(2)

$ \frac{\partial v_x}{\partial t}+v_x\frac{\partial v_x}{\partial x}+v_y\frac{\partial v_x}{\partial y}+v_z\frac{\partial v_x}{\partial z}=f_x-\frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial x}+\upsilon\nabla^2v_x，$

(3)

$ \frac{\partial v_y}{\partial t}+v_x\frac{\partial v_y}{\partial x}+v_y\frac{\partial v_y}{\partial y}+v_z\frac{\partial v_y}{\partial z}=f_y-\frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial y}+\upsilon\nabla^2v_y，$

(4)

$ \frac{\partial v_z}{\partial t}+v_x\frac{\partial v_z}{\partial x}+v_y\frac{\partial v_z}{\partial y}+v_z\frac{\partial v_z}{\partial z}=f_z-\frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial z}+\upsilon\nabla^2v_z。$

(5)

式中：v_x、v_y、v_z为x、y和z方向的速度分量，m/s；f_x、f_y、f_z分别为x、y和z方向上的质量力，N；$ {\nabla ^2} $为拉普拉斯算子；t为时间，s；ρ为流体密度，kg/m³；p为流体压力，Pa；$ \upsilon $为流体的运动粘度，m²/s。

流体流动中的热传递过程需满足能量守恒方程，其本质是热力学第一定律，控制方程表达式^[13]为：

$ \frac{\partial(\rho T)}{\partial t}+{\rm{div}}(\rho VT)={\rm{div}}\left(\frac{\lambda}{c_p}{\rm{grad}T}\right)+S_T。$

(6)

式中：T为热力学温度，K；V为流体运动速度的矢量和，m/s；λ为流体的导热系数，W/(m²·K)；c_p为比热容，J/(kg·K)；S_T为黏性耗散项。

1.3 边界条件设置与网格无关性验证

在CFD计算分析中，网格的质量与划分至关重要，由于该模型的流域空间与通风管道形状复杂，故选用四面体网格进行网格划分，为提高计算精度并同时降低计算成本，热源处以及风口处的网格进行局部加密处理，网格划分如图3所示。

工程船在正常航行时，通风管道进排风正常工作，风温45℃，冷风机关闭。工程船在热带作业时，通风管道进排风正常，风温50℃，冷风机开启。在正常航行状态下，通风系统的总进风量为157 kg/s，改变网格基本尺寸，不同网格尺寸下机舱各空间的通风量如表1所示。

可知，不同网格尺寸下机舱各空间的通风量相近，总风量误差小于1%，通过网格无关性验证，并将选取0.1 m作为网格基本尺寸进行后续计算。

在机舱温度场分析的边界条件与参数的设置中，柴油机、发电机与分油机等设置为热源边界，其中。冷风机出风温度为45℃，风量为2.85 kg/s。抽风管内的轴流风机条件由风机PQ性能曲线给定，具体边界条件与参数设置如表2所示。

2 计算结果分析与通风系统优化 2.1 机舱温度场对比分析

对于该工程船而言，通风系统的设计需保证机舱的平均温度不超过55℃，分别选取热带作业与正常航行的非热带2种工况对机舱的温度场分布进行分析。正常航行时机舱内冷风机关闭，热带作业时冷风机开启。2种工况下机舱整体的温度云图如图4所示。

可以看出，在航行工况下该机舱通风系统的表现良好。然而在作业工况下，机舱的下层区域以及分油机间出现了严重的热量堆积。为分析原因，分别在3台主柴油机组的纵剖面上建立监测截面1，截面2与截面3，并在上下层机舱空间与分油机间建立监测平面。研究机舱热量在机舱的分布与流动情况，在热带作业工况下，截面上的温度场分布如图5所示。

根据图5的截面温度场分布可以看出，主柴油机组散发的热量大量堆积在上下层机舱的甲板上。其原因为：机舱通风系统上下层机舱空间之间只有一个开口联通，且开口位置不在柴油发电机组的正上方，导致柴油发电机组散发的大量热量无法及时从开口处传导到上层空间，致使在开口附近产生热量堆积，形成局部高温。

根据图6的截面温度场分布可以看出，在下层机舱区域，热量大量集中在首侧的斜舱壁上；在上层机舱区域，机舱左舷区域与分油机间的热量堆积更严重，其原因为：该通风系统在船尾侧布置的出风口数量较多，导致机舱空间内空气的流动呈船尾至船首方向的流动趋势，热量未能顺利从舱壁开口流向烟囱，而是大量集中在首侧的斜舱壁上；根据表1的风量数据，机舱通风上层区左舷的风量小于右舷的风量，其原因为左舷通风管道的支管进入分油机间通风，并受到分油机间抽风机的影响，左右舷风量的不对称导致了上层机舱区域的热量在左舷区域堆积。

分油机间由上层左舷通风管道的支管与独立的抽风管进行进排风，在航行工况与热带作业工况下其温度场分布如图7所示。

可以看出，航行工况下分油机间空气流通效果良好，但作业工况下分油机间发生了严重的热量堆积，其原因为：抽风管道的风口距离分油机较远，导致分油机间上方的空气流通性不足；抽风管内的风机风量在航行工况下满足需求，但不匹配热带作业工况，导致分油机间内的进排风效率差，无法顺利使热量流通到烟囱。

综上，热带作业时上述的通风方案机舱温度不符合规范要求，为减少机舱内的热量堆积，改善空气流动性，本文在上述热带机舱方案的基础上，对机舱通风系统进行优化，通过改善气流组织，减少局部热点的产生，来达到规定的机舱工作环境温度。

2.2 热带作业通风系统优化分析

针对上述问题，对机舱通风系统做出优化，优化后的三维模型如图8所示。

根据图8的优化后模型，优化的后通风系统说明如下所示：

1）在三架主柴油发电机组的上方舱壁开设栅格开口，从而保证下层机舱发电机组产生的热量迅速流通到上层，消除甲板的热量堆积。

2）在下层机舱区域的斜舱壁处，增设2台冷风机正对主柴油发电机组的夹缝，并对向设置1台冷风机，改善下层机舱的气流组织，避免热量堆积在斜舱壁一侧。

3）在分油机间的上方增设轴流风机，风机在分油机上方且正对抽风管道的风口，以迅速将热量吹到抽风口的下方，加快空气从分油机间向抽风管道的流动速度，消除通风死角。

4）对上层机舱左舷风管进行优化，具体前后优化对比如图9所示，优化后的风管增大了风口的出风面积，并增大了该支管的尺寸，保证机舱上层左舷的风量与右舷的风量相当，避免热量在单侧的堆积。

优化后的机舱整体温度分布如图10所示。优化后机舱整体的平均温度降低了2.3℃，可以看出优化后的通风系统，出现在机舱各区域的热量堆积现象显著减少，热量在机舱空间中经风机引导后能高效流通到烟囱，改善了机舱整体温度环境。

优化后的主柴油机组的截面温度场分布如图11所示。可以看出，增设的冷风机与栅格开口让热量能迅速流通到上层甲板，避免了甲板附近局部热点的出现，同时冷风机的降温作用使得柴油机附近的温度显著降低，利于柴油机组的正常工作，降低安全隐患。

优化后的下层机舱以及上层机舱空间的温度分布如图12所示。可以看出，在斜舱壁处增设的复数冷风机，有效减轻了空气从尾部到斜舱壁的流动趋势，消除了热量在斜舱壁侧的堆积，热量能更快地从栅格开口流向上层空间；在对上层左舷风管进行优化后，左右舷风量的不对称得到了缓解，降低了上层区域的平均温度，但左舷区域仍有部分区域热量堆积，这是由于左舷通风支管通向分油机间，使左舷的散热风量仍略小于右舷，实船上可通过调整风闸开度以平衡风量。

优化后的分油机间温度分布云图如图13所示。可以看出，增设的轴流风机改善了分油机间的气流组织，消除了分油机上方的通风死角，使分油机间的热量能够及时随抽风管排至烟囱出口，分油机间平均温度降低了3.9℃，已满足工作需求，可进一步加大分油机间冷风机的风量，降低分油机间的平均温度。

3种方案不同区域的平均温度如表3所示，优化后的机舱通风系统在热带工况下整体温度降低了2.5℃，各机舱空间的平均温度均满足作业需求。

3 结　语

本文使用CFD方法对有热带作业需求的工程船舶进行了优化与分析，建立了准确的通风系统模型，并模拟了复杂通风系统下机舱的温度场环境，通过调整冷风机与通风管道的方法，对其在热带作业工况下的机舱环境进行优化，可得结论如下：

1）外界大气温度的变化对机舱热环境的变化有较大影响，在正常航行时工程船的机舱通风系统的表现良好。但当船舶于热带作业时，即使开启冷风机，机舱平均温度仍升高约3.4℃，通风死角处出现热量堆积。

2）机舱气流组织的优化与对于改善机舱热环境的影响较大，本模型因上下层机舱开口位置不匹配，左右舷风量不平衡，首尾气流趋势等问题，在甲板、左舷、首侧舱壁等位置出现了热量堆积。通过增设甲板栅格开口、改变机舱风管的风口风管尺寸的方法，优化了机舱内气流组织，优化后机舱平均温度降低了2.5℃，确保机舱设备正常工作。

3）主要热源附近设置冷风机与轴流风机能加快空气流通速度，引导热量走向。在主柴油机组附近增设冷风机，在分油机间正对抽风管道的抽风口设置轴流风机，显著加快主要热源处空气的流动速度，改善内部气流组织和热量堆积现象，优化后的分油机间平均温度降低了3.9℃，柴油机组环境温度显著下降。

4）利用CFD方法对机舱温度场进行数值模拟，便于在设计初期可对机舱矩形风管布风口的位置与风量进行优化研究，并根据温度速度场云图确定通风死角位置并布置轴流风机等设备，改善机舱的气流组织，该方法的应用对通风系统的数字化设计具有较强指导性。