某动力舱温度场CFD仿真分析

某动力舱温度场CFD仿真分析

张承科

（中国船舶集团有限公司第七一○研究所，湖北 宜昌 443003）

摘 要：本文分析了动力舱结构，采用CFD技术模拟整个舱内空间的温度场和速度场分布，为机舱内环境温度冷却系统设计及仪器设备布置提供依据。

关键词：动力舱；模型处理；CFD技术；仿真分析

0 引言

动力舱是水下航行器的动力、电力中心，布置有柴油主机和发电机。柴油机在正常工作时需要大量新鲜的空气，同时也向动力舱内辐射处大量的热量，发电机在工作时也向动力舱辐射处一定热量，这些热量会使舱内环境温度升高，而且由于放热部位分布不均匀导致机舱内的温度梯度很大：靠近放热设备的区域温度很高，远离放热设备的区域几乎没有温升。相反由于航行器壳体整体位于水线以下，由于海水的吸热作用局部温度反而低于外界环境温度。由此可见，船舶机舱的热环境是非常复杂的。

由于动力集成自动化程度的不断提高，机舱内各种用于监测、控制的精密仪表以及电子设备越来越多，这对机舱环境的温度、湿度等方面的要求更加严格，对舱内温度场的分布提出了更高的要求。

采用CFD技术模拟整个舱内空间的温度场和速度场分布，为机舱内环境温度冷却系统设计及仪器设备布置提供依据。

1 动力舱结构

动力舱内结构布置如下图2.1所示，柴油机布置在动力舱中，在柴油机两侧布置两台发电机，动力舱由隔热板分为两个空腔。整个动力舱工作在水线以下。

图1动力舱组成（含冷却水路）

动力舱工作时，柴油机和发电机是整个设备的主要热源。由于动力舱处于严格密封状态，舱内的热量主要通过辐射和热传导的方式传递到隔热板和动力舱表面，最后由舱外海水带走热量。

2仿真过程详述

2．1模型处理

模型处理时，主要考虑以下2个问题：1）隔热板和动力舱壳体属于薄壁结构，按照实际结构建模和网格划分会非常困难，此次仿真时计算采用Shell Conduction的方法对其壁厚进行等效，因此在模型处理时会将其处理成0厚度面，以便后续计算时设定；2）需要将模型处理成2个计算空间——动力舱外海水空间，动力舱内气体空间，其中舱内气体空间又被隔板分为两个气体空间。 3）为了提高计算精度，后续仿真时流体和固体接触面预计采用Coupled Wall方法处理，这种方法要求流体和固体接触面在划分网格时必须共用节点，因此需要将3块区域处理成一个零件组，即1个part，含有3个body。

图2 柴油机所在气体空间

图3动力舱外流体空间

2.2 网格划分

CFD仿真的精度与网格质量直接相关，高效的模型以及网格处理技术对仿真分析至关重要。本次计算采用ANSYS Meshing处理网格。

网格无关性是指当网格密度增大到一定程度后，对计算结果的精度不再有影响。本次计算采用了网格验证的方式对无关性进行了验证，发现网格数量在达到320W后，计算结果不再改变，因此认定此时达到了无关性的要求。

表1各个区域尺寸定义

2.3 仿真设定

1）湍流模型

迄今为止，尚没有一个统一的流动方程能够描述所有的流动状态，Fluent提供了多个湍流模型，包括一方程的S-A模型，双方程的k-ε模型、k-ω模型，雷诺应力模型（RSM）和最新的大涡模型（LES）、分离涡模型（DES）等，而每一种模型又有若干子模型，以适应分析、转捩、旋流等不同具体工况。

动力舱模型流动类型比较复杂，含有两种不同的流动状体：舱外海水流动是一个典型的、三维的湍流过程；而在舱内，空气基本不流动，处于层流状态。因此在处理时采用整体湍流，局部层流的方法计算，具体设定如图4所示。

图4 湍流模型选择

2）换热模型

针对3种不同的传热方式，ANSYS Fluent提供了一系列对流、导热和辐射模型，可以很好地解决含有强制/自然/混合对流、导热、辐射、太阳辐射、耦合换热等多种不同形式的换热问题，同时其便捷的附加源项和完备的热边界条件能满足不同换热模拟需求。

对流换热

动力舱外海水与壳体之间的换热以对流为主。对流换热存在于流体和固体表面之间，对流换热效率受到、壁面形状、温差、气体流速、以及气体物性（导热率、密度、比热、粘度等参数）的影响。考虑到各处壁面热交换系数的差异性，因此不能单纯依靠经验给出热交换率，ANSYS Fluent中可以通过couple wall来直接实现流体和固体壁面之间的耦合。

图5动力舱表面换25热边界设定

传导

而固体的主要换热形式为导热，因此必须考虑导热的影响。针对隔热板和壳体等薄壁结构，ANSYS Fluent针对这一情况，提出了壳层导热方法（shell conduction边界），以0厚度面来代替壳体，以此来解释壳体沿法向上的导热过程。当需要考虑壁面沿法向方向的导热时，采用shell conduction热边界，只需要对壁面的厚度进行设置，给出壁面厚度方向上适当的热阻即可。

图6隔热板换热边界设定

辐射

动力舱内空气流动性较差，因此对流换热能力会较弱，舱内部件之间的热交换会更多以辐射形式传递。与对流和导热相比，辐射是一种截然不同的换热形式，其中一个典型特征为辐射不依赖于介质。由于辐射计算与一般的传热形式不同，需要考虑空间不同方向上的传热，所以没有梯度项，因此不能使用通用的能量和传热方程表示，只能作为能量源项来考虑。

ANSYS Fluent将辐射作为能量方程的源项进行建模，使用辐射传递方程来进行辐射传热的计算。ANSYS Fluent提供了5中辐射模型来求解辐射传热问题，并且在辐射模型中可以包括或者不包括参与介质。考虑到气体对辐射的吸收能力基本为0，因此动力舱内的辐射模型考虑采用S2S辐射模型。

图7辐射模型设定

3）材料设定

动力舱内由于散热部件的存在，空气会存在着温度差，使得各部分空气密度不同，温度高的地方密度小，温度低的地方密度大，密度差必然会造成空气的流动。

仿真中采用Ideal-gas来描述空气密度的改变。其他部分按照2.2章节描述的材料属性输入。

图8 采用Ideal-gas描述气体密度的改变

1）边界设定和求解设置

按照下表输入边界条件。由于计算模型中采用了S2S辐射模型，推荐压力-速度耦合采用Coupled方式。

表2边界条件设定

2）舱内测温点

在舱内取四个点进行温度检测，坐标为如下表所示。

图9 舱内测温点（黑色显示，从左往右依次P1、P2、P3、P4）

3 结束语

由于动力舱内设备及环境复杂，尤其是柴油机和发电机内部结构建模难度大，且涉及燃烧化学反应，本次模拟去掉了舵机、电机等设备，模拟过程中将柴油机和发电机简化为实体模型，通过拟合柴油机表面温度来进行分析。本次仿真动力舱内气流以辐射换热形式为主，对流和导热为辅。随着舱外海水流动速度的增加，动力舱外表面的换热系数明显变大，舱内空气的流速也会有所增加，舱内对流换热形式会增强，但这种换热形式的增加幅度有限。动力舱表面的温度均与海水温度基本一致，但在隔热板与舱体接触的部位有温度差异。柴油机表面的温度值相差不大，这说明动力舱外流速的增加对舱内温度的影响较小。增加冷却水路进行舱内降温的效果微弱。可以在动力舱内增加风扇等设备，以强化舱内的空气流动，使得空气能够快速地将热源产生热量传递到舱体表面，增加舱内设备的对流散热能力。

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