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摘 要：油船泵舱是油船的重要舱室，也是油气挥发较多的高危区域。易燃物的浓度分布和舱室的通风环境密不可分。本文选用易燃物的典型代表物——甲烷，作为易燃物浓度分布的研究对象，在自然通风和强制通风两种不同通风状态下，利用CFD软件Airpak对某油船泵舱在上述两种情况下的温度场、速度场、浓度场以及气流运动轨迹进行了模拟分析，并就二种模拟分析的结果，给出了优化改进的措施。
关键词：泵舱;温度场;速度场;浓度场;通风
中图分类号：U665.1 文献标识码：A
Numerical Analysis of Inflammables Concentration Field and
Ventilation in Pump Room of Oil Tanker
ZHOU Houxia
（ Taizhou City Jinhaiyun Vessel Facility Co.， Ltd.， Taizhou 225300 ）
Abstract： Pump room of oil tanker is not only an important compartment， but also a high risk area of oil and gas volatilization. The concentration distribution of inflammables is closely related to the ventilation environment of the compartment. In this paper， methane， a typical representative of inflammables is selected as the research object of concentration distribution of inflammables. Under two different ventilation conditions： natural ventilation and forced ventilation， the temperature field， velocity field， concentration field and air flow trajectory of an oil tanker pump room are simulated and analyzed by using the CFD software Airpak， and the optimization and improvement measures are given according to the results of the two kinds of simulation analysis.
Key words： Pump Room; Temperature field; Velocity field; Concentration field; Ventilation
1 前言
泵舱是液货船上用来设置装卸液货设备的专用场所，该处有货油泵、压载泵、洗舱水加热器以及各种连接管系、阀门、附属仪表等。泵舱在油船上属于高危区域，特别是在装卸货油的时候，可能会产生货油的泄漏和油气的挥发。当油气聚集到一定的浓度或者局部高温的情况下，会产生火灾甚至爆炸，因此该场所对安全性的要求很高。
泵舱的安全性与泵舱的通风情况有着密切的关系，根据泵舱风机的启闭一般分为两种情况：一种是在船舶正常运营期间，洗舱水加热器、货油泵等都是关闭的，此时的风机也是关闭的;第二种是当检修人员进入或者停港装卸货油时，特别是卸油的时候洗舱水加热器和货油泵同时打开，这时风机是打开的。
泵舱内易燃物浓度场的分布，只有在船舶建成运行之后才能知道，如果能在设计时就模拟出易燃物浓度场的分布，并提出相应的改进措施及注意事项，将对泵舱通风系统的设计和改进提供一个良好的途径。针对以上两种情况，本文利用CFD软件Airpak对某油轮泵舱易燃物的浓度场分布和通风进行模拟和分析。
2 泵舱物理模型和湍流数学模型
某船的泵舱位于肋位号FR35～FR40之间，长度为3 m、宽度9.55 m、高度从双层底到主甲板、总高12.28 m。该泵舱模型（见图1）分为主甲板以上和主甲板以下两部分：甲板以下泵舱的左右两舷皆为船用柴油舱，此舱的加热温度对泵舱有一定的影响;在双层底上，左右两舷对称布置有两个污油井，长度皆为0.625 m、宽度皆为0.6 m，这两处的污油井为易燃物浓度的产生处;双层底以上的主要设备有三台货油泵，其电机都位于临近的机舱内，并被隔舱填料函分隔开来，对货油泵正常工作没有任何影响;货油泵左边有货油扫舱泵一台、专用压载泵两台;临近是洗舱水泵，洗舱水泵的上部为排油监控装置采样泵和排油监控装置分析单元，顶上的为洗舱水加热器。在船舶正常营运期间，这些设备都是关闭的，只有在装卸货油的时候，由于电机设备有功率的损耗以及管路中货油流动、洗舱水加热器加热等的影响，进而发生热量散发的现象。其中，货油管系和洗舱水加热器为主要热源。
从船尾向船首方向看，在尾部的舱壁上有附壁风管，风栅沿船宽方向布置，这些风栅在风机启动的时候作为回风口;在前部的舱壁有舱壁扶墙材，由于尺寸较大，对油气的浓度分布有一定的影响，所以其结构应考虑在模型之内;主甲板以上部分，左舷舱壁设有风雨密百叶窗，在船舶运行时作为回风口，而在泵舱风机进行抽风的时候，作为泵舱的送风口，并平衡进出模型的风量，防止泵舱产生负压，以利于风机抽吸工作的进行;主甲板上设有泵舱的入口，此入口也是上下两部分唯一的气流通道;需要指出的是，为了模型的更好收敛，将模型的左舷边界向左移動到和下半部分齐平的位置，如图1所示。 本模型的计算采用k-ε双方程湍流数学模型，为了简化计算进行如下假设：（1）泵舱内的气流流动为稳态流动;（2）流体做不可压缩流动并且符合Boussinesq假设;（3）忽略能量方程中由于粘性力作用引起的能量耗散;（4）不考虑漏风的影响，当风机开启时只有风管风栅和风雨密百叶窗处有气流流通;当风机关闭时只有百叶窗处有气流流出。
经过无量纲处理后，控制方程如下：
（1） 连续性方程（质量守恒方程）
对于不可压缩流体，空气密度视为常数，方程简化为：
（2） 运动方程（动量守恒方程）
（3） 能量方程（能量守恒方程）
（4） 湍流脉动方程（K方程）
（5） 湍流能量耗散率方程（ε方程）
（6） 浓度方程（C方程）
上述控制方程中的几个系数，取值为：C1=1.44，Cu=0.09，Cu=1.00。
3 泵舱模型边界条件
某油船所运输的成品油，是一种由多种有机化合物组成的液体，其基本元素为碳和氢，碳氢化合物简称为烃类化合物。按分子中碳原子的排列结构的不同，又分为脂肪族、环烷族和芳香族。其中，脂肪族烃是最易自燃的一类。烷烃分子中含有的碳原子越多，其结构越不紧凑，在稳定度较高的情况下，有形成氧化物的倾向，较为典型的是正十六烷值，它被作为柴油自燃性的衡量标准。因此，本文选取较有代表性的烷类脂肪族——甲烷气体作为易燃物浓度场的研究对象，其它易燃物气体的浓度场研究和此类似。甲烷的挥发速度为0.833 m/s、温度为26 ℃。
风管各格栅的抽风速度和温度依据实测数据确定;风雨密百叶窗处的边界条件取为自由边界条件，其温度和压力分别取为环境温度和标准大气压力。
泵舱和临近的舱室存在热量的交换，泵舱的左右两舷部分为船用柴油舱，加热温度根据设计要求取为70 ℃;当装卸货油时，泵舱内的主要热源为洗舱水加热器和连接热管以及货油管系，其大小根据单位热管散发的热量乘以管长确定。
4 计算结果与分析
4.1 自然通风情况下的浓度场
船舶正常运营时，风机是关闭的，泵舱内的气流只有通过风雨密百叶窗与外界环境进行交换，其计算结果如图2～6所示。
从图2速度场分布图，特别是图6粒子运动轨迹图可以看出：从污油井出来的甲烷气体基本上是沿壁面向上运动，在到达主甲板后改成沿船宽方向水平运动，然后从泵舱入口处流出。所以在沿船长方向的舱壁和主甲板下部要尽量减少障碍物，以利于甲烷的自然挥发流出;从图3可以看出，在沿壁面处，甲烷的流动速度较快，这是由于受壁面传热的影响，温度越高甲烷的挥发速度越快;另外，在自然通风的情况下，甲烷气体受到的扰动较小，所以基本垂直向上运动;从图4中可以看出，无论是甲板以上还是甲板以下的部分，在气流到达顶部后都沿舱壁处产生了回流，这是需要尽量避免的。
4.2 强制通风情况下的浓度场
在油船停泊靠岸进行装卸货油，特别是卸油的时候，各个货油管系和洗舱水加热器工作，它们都成为泵舱内的主要热源。为了防止此时油气浓度或舱内温度过高，风机是打开的。此时，模拟计算结果如图7～11所示。
从图7的速度场图和图10的风雨密百叶窗入口粒子轨迹图可以看出，在风机的抽吸作用下，新风从百叶窗的入口处水平进入泵舱，当到达左舷的舱壁后下行穿过泵舱入口，进入主甲板以下的泵舱，在风雨密百叶窗和泵舱入口处一段的风速都相对较大;而从图9的浓度场分布图中可以看出，甲烷气体基本上在主甲板以下的泵舱部分，而泵舱入口处的一段在新风的冲击下，在入口以下的一段仍保持着很低的甲烷浓度;而在主甲板以下的一大块区域内，由于甲烷比空气轻，不在泵舱入口处新风的作用范围内，而和高温一起在此处聚集，所以建议此处增设风管格栅进行抽风;从图11中可以看出，甲烷的挥发轨迹受到抽风气流的影响比较大;左舷的污油井由于正上方有一垂直正对的抽风格栅，所以在气流的作用下基本能保持平稳的上升趋势，而右舷的污油井挥发的甲烷受到气流的扰动，运动轨迹比较杂乱。
5 结论
本文通过对实船的不同通风情况下浓度场的分析，得出如下结论：
（1）无论是机械通风还是自然通风情况下，易燃物运动的轨迹会受到外界因素的影响，尤其是泵舱内气流运动的影响较大。在自然通风情况下，甲烷的挥发受气流扰动较小，基本上呈平稳向上的运动趋势，这种情况下临近的热舱影响对其影响较大，在舱壁处受到壁面传热的影响，挥发速度明显加快;
（2）在主甲板以下远离泵舱入口的区域，是易燃气体和高温的聚集处，因为此处距离抽风格栅较远，而且不在通风的抽吸作用范围之内。所以在通风系统设计时，应注意在此处增设抽风格栅，提高通风效率，降低高危区域因通风不利带来的风险。
参考文献
[1] 陈国庆，陆守香，庄磊. 船舶机舱油料火灾的发展过程研究[J]. 中国
科技大学学报， 2006（1）：91～95.
[2] K. W. D. Cheong， E. D. D junaedy， T. K. Pohetal. Measurements and
computations of contaminant’s distribution in an office environment[J].
Building and Environment， 2003， 38：135-145.
[3] 滿孝新，高普生.高大洁净厂房分层空调气流模拟与浓度场分析[J].
暖通空调，2004，34（8）：94-98.
[4] 邓启红，汤广发，张过强.室内空气环境的数值研究方法[J].建筑热
能通风空调，2004，23（1）：34-39.
[5] 叶欣，蒋秀英 Airpak软件在气流组织领域的应用[J]. 应用能源技术，
2006（10）：45-47.
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科学出版社，1984.
[7] 钱耀南. 船舶柴油机[M]. 大连海事大学出版社，2007.
[8] 陈宁，张栋 船舶机舱机械通风的计算与气流组织分析[J]. 舰船科学
技术 2009（1）：45-48.
关键词：泵舱;温度场;速度场;浓度场;通风
中图分类号：U665.1 文献标识码：A
Numerical Analysis of Inflammables Concentration Field and
Ventilation in Pump Room of Oil Tanker
ZHOU Houxia
（ Taizhou City Jinhaiyun Vessel Facility Co.， Ltd.， Taizhou 225300 ）
Abstract： Pump room of oil tanker is not only an important compartment， but also a high risk area of oil and gas volatilization. The concentration distribution of inflammables is closely related to the ventilation environment of the compartment. In this paper， methane， a typical representative of inflammables is selected as the research object of concentration distribution of inflammables. Under two different ventilation conditions： natural ventilation and forced ventilation， the temperature field， velocity field， concentration field and air flow trajectory of an oil tanker pump room are simulated and analyzed by using the CFD software Airpak， and the optimization and improvement measures are given according to the results of the two kinds of simulation analysis.
Key words： Pump Room; Temperature field; Velocity field; Concentration field; Ventilation
1 前言
泵舱是液货船上用来设置装卸液货设备的专用场所，该处有货油泵、压载泵、洗舱水加热器以及各种连接管系、阀门、附属仪表等。泵舱在油船上属于高危区域，特别是在装卸货油的时候，可能会产生货油的泄漏和油气的挥发。当油气聚集到一定的浓度或者局部高温的情况下，会产生火灾甚至爆炸，因此该场所对安全性的要求很高。
泵舱的安全性与泵舱的通风情况有着密切的关系，根据泵舱风机的启闭一般分为两种情况：一种是在船舶正常运营期间，洗舱水加热器、货油泵等都是关闭的，此时的风机也是关闭的;第二种是当检修人员进入或者停港装卸货油时，特别是卸油的时候洗舱水加热器和货油泵同时打开，这时风机是打开的。
泵舱内易燃物浓度场的分布，只有在船舶建成运行之后才能知道，如果能在设计时就模拟出易燃物浓度场的分布，并提出相应的改进措施及注意事项，将对泵舱通风系统的设计和改进提供一个良好的途径。针对以上两种情况，本文利用CFD软件Airpak对某油轮泵舱易燃物的浓度场分布和通风进行模拟和分析。
2 泵舱物理模型和湍流数学模型
某船的泵舱位于肋位号FR35～FR40之间，长度为3 m、宽度9.55 m、高度从双层底到主甲板、总高12.28 m。该泵舱模型（见图1）分为主甲板以上和主甲板以下两部分：甲板以下泵舱的左右两舷皆为船用柴油舱，此舱的加热温度对泵舱有一定的影响;在双层底上，左右两舷对称布置有两个污油井，长度皆为0.625 m、宽度皆为0.6 m，这两处的污油井为易燃物浓度的产生处;双层底以上的主要设备有三台货油泵，其电机都位于临近的机舱内，并被隔舱填料函分隔开来，对货油泵正常工作没有任何影响;货油泵左边有货油扫舱泵一台、专用压载泵两台;临近是洗舱水泵，洗舱水泵的上部为排油监控装置采样泵和排油监控装置分析单元，顶上的为洗舱水加热器。在船舶正常营运期间，这些设备都是关闭的，只有在装卸货油的时候，由于电机设备有功率的损耗以及管路中货油流动、洗舱水加热器加热等的影响，进而发生热量散发的现象。其中，货油管系和洗舱水加热器为主要热源。
从船尾向船首方向看，在尾部的舱壁上有附壁风管，风栅沿船宽方向布置，这些风栅在风机启动的时候作为回风口;在前部的舱壁有舱壁扶墙材，由于尺寸较大，对油气的浓度分布有一定的影响，所以其结构应考虑在模型之内;主甲板以上部分，左舷舱壁设有风雨密百叶窗，在船舶运行时作为回风口，而在泵舱风机进行抽风的时候，作为泵舱的送风口，并平衡进出模型的风量，防止泵舱产生负压，以利于风机抽吸工作的进行;主甲板上设有泵舱的入口，此入口也是上下两部分唯一的气流通道;需要指出的是，为了模型的更好收敛，将模型的左舷边界向左移動到和下半部分齐平的位置，如图1所示。 本模型的计算采用k-ε双方程湍流数学模型，为了简化计算进行如下假设：（1）泵舱内的气流流动为稳态流动;（2）流体做不可压缩流动并且符合Boussinesq假设;（3）忽略能量方程中由于粘性力作用引起的能量耗散;（4）不考虑漏风的影响，当风机开启时只有风管风栅和风雨密百叶窗处有气流流通;当风机关闭时只有百叶窗处有气流流出。
经过无量纲处理后，控制方程如下：
（1） 连续性方程（质量守恒方程）
对于不可压缩流体，空气密度视为常数，方程简化为：
（2） 运动方程（动量守恒方程）
（3） 能量方程（能量守恒方程）
（4） 湍流脉动方程（K方程）
（5） 湍流能量耗散率方程（ε方程）
（6） 浓度方程（C方程）
上述控制方程中的几个系数，取值为：C1=1.44，Cu=0.09，Cu=1.00。
3 泵舱模型边界条件
某油船所运输的成品油，是一种由多种有机化合物组成的液体，其基本元素为碳和氢，碳氢化合物简称为烃类化合物。按分子中碳原子的排列结构的不同，又分为脂肪族、环烷族和芳香族。其中，脂肪族烃是最易自燃的一类。烷烃分子中含有的碳原子越多，其结构越不紧凑，在稳定度较高的情况下，有形成氧化物的倾向，较为典型的是正十六烷值，它被作为柴油自燃性的衡量标准。因此，本文选取较有代表性的烷类脂肪族——甲烷气体作为易燃物浓度场的研究对象，其它易燃物气体的浓度场研究和此类似。甲烷的挥发速度为0.833 m/s、温度为26 ℃。
风管各格栅的抽风速度和温度依据实测数据确定;风雨密百叶窗处的边界条件取为自由边界条件，其温度和压力分别取为环境温度和标准大气压力。
泵舱和临近的舱室存在热量的交换，泵舱的左右两舷部分为船用柴油舱，加热温度根据设计要求取为70 ℃;当装卸货油时，泵舱内的主要热源为洗舱水加热器和连接热管以及货油管系，其大小根据单位热管散发的热量乘以管长确定。
4 计算结果与分析
4.1 自然通风情况下的浓度场
船舶正常运营时，风机是关闭的，泵舱内的气流只有通过风雨密百叶窗与外界环境进行交换，其计算结果如图2～6所示。
从图2速度场分布图，特别是图6粒子运动轨迹图可以看出：从污油井出来的甲烷气体基本上是沿壁面向上运动，在到达主甲板后改成沿船宽方向水平运动，然后从泵舱入口处流出。所以在沿船长方向的舱壁和主甲板下部要尽量减少障碍物，以利于甲烷的自然挥发流出;从图3可以看出，在沿壁面处，甲烷的流动速度较快，这是由于受壁面传热的影响，温度越高甲烷的挥发速度越快;另外，在自然通风的情况下，甲烷气体受到的扰动较小，所以基本垂直向上运动;从图4中可以看出，无论是甲板以上还是甲板以下的部分，在气流到达顶部后都沿舱壁处产生了回流，这是需要尽量避免的。
4.2 强制通风情况下的浓度场
在油船停泊靠岸进行装卸货油，特别是卸油的时候，各个货油管系和洗舱水加热器工作，它们都成为泵舱内的主要热源。为了防止此时油气浓度或舱内温度过高，风机是打开的。此时，模拟计算结果如图7～11所示。
从图7的速度场图和图10的风雨密百叶窗入口粒子轨迹图可以看出，在风机的抽吸作用下，新风从百叶窗的入口处水平进入泵舱，当到达左舷的舱壁后下行穿过泵舱入口，进入主甲板以下的泵舱，在风雨密百叶窗和泵舱入口处一段的风速都相对较大;而从图9的浓度场分布图中可以看出，甲烷气体基本上在主甲板以下的泵舱部分，而泵舱入口处的一段在新风的冲击下，在入口以下的一段仍保持着很低的甲烷浓度;而在主甲板以下的一大块区域内，由于甲烷比空气轻，不在泵舱入口处新风的作用范围内，而和高温一起在此处聚集，所以建议此处增设风管格栅进行抽风;从图11中可以看出，甲烷的挥发轨迹受到抽风气流的影响比较大;左舷的污油井由于正上方有一垂直正对的抽风格栅，所以在气流的作用下基本能保持平稳的上升趋势，而右舷的污油井挥发的甲烷受到气流的扰动，运动轨迹比较杂乱。
5 结论
本文通过对实船的不同通风情况下浓度场的分析，得出如下结论：
（1）无论是机械通风还是自然通风情况下，易燃物运动的轨迹会受到外界因素的影响，尤其是泵舱内气流运动的影响较大。在自然通风情况下，甲烷的挥发受气流扰动较小，基本上呈平稳向上的运动趋势，这种情况下临近的热舱影响对其影响较大，在舱壁处受到壁面传热的影响，挥发速度明显加快;
（2）在主甲板以下远离泵舱入口的区域，是易燃气体和高温的聚集处，因为此处距离抽风格栅较远，而且不在通风的抽吸作用范围之内。所以在通风系统设计时，应注意在此处增设抽风格栅，提高通风效率，降低高危区域因通风不利带来的风险。
参考文献
[1] 陈国庆，陆守香，庄磊. 船舶机舱油料火灾的发展过程研究[J]. 中国
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暖通空调，2004，34（8）：94-98.
[4] 邓启红，汤广发，张过强.室内空气环境的数值研究方法[J].建筑热
能通风空调，2004，23（1）：34-39.
[5] 叶欣，蒋秀英 Airpak软件在气流组织领域的应用[J]. 应用能源技术，
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[6] （美）SV帕坦卡，著. 传热与流体流动的数值计算[M]. 张政，译. 北京：
科学出版社，1984.
[7] 钱耀南. 船舶柴油机[M]. 大连海事大学出版社，2007.
[8] 陈宁，张栋 船舶机舱机械通风的计算与气流组织分析[J]. 舰船科学
技术 2009（1）：45-48.