基于CFD的船舶自流冷却系统进水口形式优化

摘要：对凝汽器的冷却效果和船舶航行产生极大影响的是船舶自流冷却系统进水口的结构。对于不同形式的进水口，采用了软件对船舶自流冷却系统进行了数值模拟，分析了进水口形式的流动特性，介绍了尾流场、航行阻力、流量等。航行阻力的和流量的大小受到进水口外伸长度的直接影响。而直管口对外流场的影响较小，并且能够获得大的流量。应结合出水口来对进水口进行相应的设计，因为出水口相耦合对尾流产生影响。

关键词：尾流场 流量 数值模拟 进水口形式 自流冷却系统

中图分类号：U6 文献标识码：A 文章编号：1007-0745（2013）05-0202-01

大型船舶的水泵的尺寸和功率都较大，因为其所需的冷却水量较大。汽轮机组作为大型船舶的主动力设备，其产生的乏汽被排入凝汽器。对乏汽进行冷却时，需采用水泵抽吸海水的方式来实施。自流式冷却水系统能够依靠船体在前进时，与海水的相对运动而产生的动水头来给凝汽器提供冷却水。因为自流式冷却水系统的设计是将冷却水的进口管面朝船舶行驶方向进行设计的。冷却泵在低航速度的工作情况下，冷却系统中进入了大量冷却水，在节省了舱内的空间的同时还节省了动力，并且减小了泵的尺寸，驱动的功率也大大地降低了。水在经过外伸进水口的同时，不但会产生水动噪声，还会影响到螺旋桨的水动力其性能，这时由于流动分离导致了伴流场恶化。所以，要想尽量减小对尾流场以及附加拖拽阻力，就必须正确选择冷却系统进水口的几何参数，来确保为了满足凝汽器的冷却水量，其系统必备的可靠性。伴随我国科学技术的高速发展，作为一种重要的设计手段，以现代化大容量高速的计算机为基础，计算流体力学已经被人们广泛应用。为达到选优的目的，就需要使用CFD模拟的实际流动，比较、分析其产生的结果。在此，文章仿真计算了不同形式进水口流动特性，优化了进水口的结构。

1、计算数值与网格生产

动量方程与不可压缩流体连续方程为： ，湍流能耗散率方程：

为用户定义； 为由浮力所产生的湍流动能； 是由流速度梯度所产生的湍流动能。参加计算模型除了进水口、外流场，还包括了出水口、阀门、凝汽器、水泵等的冷却系统内流管路的各个部件。为了对整个自流冷却系统管路内部的流动特性进行模拟，模块化处理了进水口网格、内部管路网格、外流场网格等。将不同的进水口模块与各个模块拼接组合，经过各个交界面的设置，整体的计算网格就形成了。如果，对外流场仅取对称半边计算域来进行网格的划分，在假设船体左右对称的情况下，则可以采用局部加密的非结构网格。网格的总数量为两百万，域尺寸可以根据周向乘以径向再乘以轴向的方法来进行计算，为0.5L×1L×3L，L为船长。在进行计算时，在相同的流域环境中，放入不同结构的方案，具体参数有：表面粗糙度、水的密度和网格的划分、设置边界条件、湍流模型。对不同形式的进水口结构形式进行了对比，如图1所示。

边界条件可在计算中采用。①分界面边界，设置流体是流通的，进水口面为分界面。②壁面边界，设置管道壁面以及船壳表面为无滑移壁面。③对称边界，若船体水下部分与龙骨的子午面平行与对称面的速度分量其法向导数则为零，而垂直于对称面的速度分量也为零。④出流边界，船尾部船体长度部位为出流边界。⑤速度进口边界，航速为来流速度，船体不动。

2、分析计算结果

2.1不同进水口外伸长度影响到重要流动特性

进水口流量受到外伸长度的影响，即外伸长度越长，进水口量也增大。但是，当外伸长度达到一定量时，增加流量的情况也变得不显著。可以看出，随着外伸长度的增加，流量的增长率也在变小。来流产生动压头变小，说明进水口外伸长度偏短。流速低是因为边界层的存在。进水口外伸长度越长，附加阻力越大，管壁表面所受的压力就会越高，同时也增大了来流速度，整管的迎流面积变大。所以，船的总航行阻力的增大是受到进水口外伸长度的增加的影响。应尽可能地减小进水口的外伸长度，因为阻力伴随外伸长度的增加而增加。在设计自流系统进、出水口时，要结合耦合作用来进行考虑，进水口外伸越长，反而会减小不均匀度，并同时削弱了出水口对尾流场的不良影响。出水口和进水口的共同作用会对尾流产生影响。螺旋桨盘面不同半径的分布受到外伸进水口的影响较为明显，其影响会随着半径的扩大而渐渐降低。

2.2比较不同进水口的形式

采用渐扩管时，因为在进入管道后流体流速降低，通流面积变大，使得管道内壁的压力降低，管道外壁的压力增高，要想获得大的流量比较困难，因为这种形式的进水口的同流面积较小，在拐弯后，内壁的周围有扩散效应产生，从曲率中心向管子外壁出现了离心力，流体产生分离的同时，后面的弯管使流体转向。采用直管口时，流动损失较小，在入口处流体基本不产生扰动。采用渐缩管口时，伴随截面积的减小，后边的管道截面小于进口面积，在外界流体的推动作用下，进入管口的流体不能及时通过狭窄的喉部，反向溢流导致对外流场的扰动，降低了管口内流速，最终形成堵塞。从分析得知，比起渐缩管口与渐扩管口的形式，直管口的形式是最优、最合适的选择。外流场流动的情况由于采用了渐缩管口的形式所以情况更加恶劣，不仅会产生水动噪声，还会增加粘压阻力，消耗大量的动能，在压差的作用下，来流方向与流动的方向相反，就会产生漩涡，流体绕流管口降低了其速度。而顺着来流方向来布置直管形进口的话，流态状况良好。但是会产生水动噪声，因为渐扩管口有个高速去在转弯外缘处。自流式进水口不采用圆锥形或倒圆、倒角收缩管，不会导致流量下降、阻力增大。而抽式的进水口的采用减小了进口阻力，减小流体的分离区，平稳了流体沿进口边缘转向时的流动。

结束语

不同于抽吸式进水口，自流式进水口在相同管径条件下，对外流场的扰动小，自流流量大。自流流量的大小取决于进水口外伸长度。在对进、出水口进行设计时，要先综合考虑尾流、阻力、流量等方面因素。要结合出水口来对进水口进行优化设计，进水口的外伸长度越长，会使尾流分布更加趋于均匀。

参考文献：

[1]曾谊晖，鄂加强，朱浩，龚金科.基于贝叶斯网络分类器的船舶柴油机冷却系统故障诊断[J].中南大学学报，2010（4）.

[2]陈伟智，张维竞，张小卿，许婉莹，唐强.船舶中央冷却系统节能技术研究[J].节能技术，2012（6）.