Numerical analysis on influence of ship power system exhaust gas on upper deck temperature field

ZHANG Jiajia1，FU Yunpeng2，YE Zhenghua2，SUN Peng1，ZHONG Jingjun1，YANG Muxiao3 1 Marine Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China 2 Marine Design and Research Institute of China，Shanghai 200011，China 3 School of Professional Degree Education，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China Abstracts：［Objectives］ The high temperature gas discharged from the power systems of modern ships exerts a great influence on the reliable operation of high-precision electronic equipment on the deck and whether such operation units as carrier aircraft can operate safely. ［Methods］ The study of the temperature field above the deck of a certain type of ship is carried out using the numerical calculation software Fluent. Focusing on the classic wind direction and four different wind speeds，the motion of the high temperature gas and temperature distribution on the superstructure surface and three key sections is calculated and analyzed.［Results］The results show that in the 30 degree wind direction，Heliports No. 1 and 2 on the leeward side of the superstructure are always affected by high temperature gas，which poses a serious threat to safe takeoff and landing. At the same time，the superstructure area affected by the high temperature gas is greater at a lower wind speed，with a maximum affected area of 73 m2.［Conclusions］It is suggested that shipboard helicopters should avoid taking off and landing at Heliports No. 1 and 2 in the 30 degree wind direction. In addition，attempts should be made to avoid installing electronic equipment in areas greatly affected by high temperature gas. Key words：ship power system；exhaust gas；deck；temperature field；numerical study

0引言

随着舰载机及精密电子设备普遍装备现代舰船，与之相关的安全性及可靠性影响因素也逐渐受到关注［1］。其中，舰船甲板上方空间分布的高温烟气是决定舰船上层建筑表面精密电子仪器设备能否正常工作、舰载机能否安全起降的重要因素之一。随着现代舰用燃气轮机燃气初温及压比的不断提高，温度越来越高的机组高温排气给舰船带来了一系列的问题，如外烟囱端部射出的高温烟气给舰船带来的烟气腐蚀、电气设备的过热损坏、能见度降低、上层建筑污染等［2］。但影响舰船表面温度场分布的因素有很多，如舰船的几何外形、自然风的强度及方向、自由来流的湍流分量、海况及舰船的航行运动［3］。因此，有必要考虑一定情况下舰船甲板上方空间温度场、舰船上层建筑表面温度的分布，及时做出预测、判断、分析并研究。CFD利用 手段对舰船外部流场、温度场进行研究是行之有效的手段，国内外已有不少学者开展过类似工作。Polsky LHA等［4］针对 船型进行时间精确的空气尾流场的数值仿真并与相应的风洞CFD测试数据进行了比较，证明利用 手段研究舰船甲板上方空气流场具有一定的可靠性。Kulkarni Fluent等［5］利用 软件中的标准 k - ε 双方程模型对某型护卫舰的烟囱热气流场进行了数值研究。林维德［6］针对某舰船普通排气系统的内部流场和温度场进行了计算，得到了该排气系统内部的温度分布；周绍荣等［7］分析了某型舰船排气系统红外抑制装置的湍流场以及温度场。上述与舰船温度场相关的研究大都集中在舰船排气系统内部，本文将着重于舰船排气系统对Fluent其外部温度场影响的数值分析。首先，利用LHA软件对某 船型在不同风速下舰船甲板上方3的空间温度场进行计算，然后，选取 个关键截面，对排气系统在所选关键截面处的温度场影响、甲板上层建筑表面温度分布进行量化分析。

1 数值计算方法 1.1 计算模型

本文的研究对象是以“塔拉瓦”级两栖攻击舰（LHA）为参考，并对其上层建筑结构形式进行了简化。研究中，不考虑气、液交界的作用。为了减2m少网格数目与计算量，甲板高度取 ，具体模型1如图 所示。舰船沿航行方向，左侧为船体左舷 （PORT），右侧为船体右舷（STBD），上层建筑以及烟囱位于甲板右舷一侧。计算模型中，将x方向定义为长度方向（艏艉方向），y方向定义为宽度方向（船舷方向），z方向定义为高度方向。 CFD在利用 技术对钝体绕流建立计算模型时，计算域的边界应设置于离模型足够远处，以避免边界对计算结果造成影响。而在数值模拟计算中，计算域的大小往往以阻塞率的大小来衡量，一3%［8般认为阻塞率不大于 ］。本文选定的计算域1 300 m×210 m×160 m，如图2大小为 所示。在本1.46%，xz研究中，计算域yz面的阻塞率为 面的阻1.54%（因塞率为 xy面不受来流风速的影响，故不将其考虑在内）。

1.2 网格和边界条件

3舰船模型计算域网格如图所示。由于船体表面及上层建筑的结构较为复杂，为减少总体网格数量，将计算域划分为包含船体在内的中间区域以及前、后两个远场区域。其中中间区域的网格较密，前、后两个远场区域的网格较稀疏。为节省网格生成时间，上层建筑及船体附近为四面体非结构化网格；前、后两个远场区域因为简单的长方体结构，为兼顾计算时间，将其划分为正六面体360结构化网格。全计算域网格数约 万。计算方法的可靠性验证参考文献［9］。10，15，20计算中的合成风速分别设定为 和23 m/s，风向为右舷30°。由于来流速度较低，为不可压气体［10］，因此甲板气流场计算中的主要边

收稿日期：2017 12 13 网络出版时间：2018-9-25 11:54基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（3132016205）作者简介：张佳佳，男，1994年生，硕士生。研究方向：舰船甲板气流场仿真。E-mail：775235684@qq.com孙鹏（通信作者），男，1979年生，博士，教授。研究方向：发动机气动热力学。E-mail：sunpeng-KIT@dlmu.edu.cn杨木肖，女，1979年生，硕士，助理研究员。研究方向：实验流体力学

Fig.2 图2计算域及边界定义Computational domain and definition of boundary

图1 舰船简化模型Fig.1 Simplified model of ship