静风条件下船舶烟气扩散特性研究

作     者：庄晓东 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：谢军龙

授予年度：2021年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：静风条件 重气扩散 水蒸气相变 船舶流场 新风口 

摘      要：船舶燃烧重油烟气成分大多属于重气,受环境以及释放源等因素的影响可能会沉降至甲板域,甚至进入新风进气管路导致船员生活和工作环境的二次污染,而这种问题在需要船舶动力长期低载运行以维持供电的停泊工况更加突出。目前已有的船舶烟气扩散研究主要基于航行工况更多关注甲板域以及尾流特性,而停泊或靠港这一特定静风环境下烟气扩散对舱室进风口污染的相关研究较少。为探究静风条件下船舶烟气的扩散行为和浓度场分布,本文在验证重气扩散模型有效性的基础上,研究了静风条件下单源重气的扩散特性,通过对比不同初始释放温度和释放速率下的重气扩散行为,发现研究工况下扩散过程受前者的影响更大。基于船舶的多烟囱排放设计对多源重气的扩散特性展开研究,探讨了不同释放源间距下的多源汇聚作用,以及不同释放源数目产生的浓度叠加效应,研究发现释放源间距越小,多源汇聚作用越强,当D/d3时多源重气由汇聚开始分离。根据烟气析湿产生的“白烟现象,利用水蒸气冷凝模型展开小尺寸模型数值研究,发现凝结主要发生在射流边界层,降低环境温度有利于流场内水蒸气的冷凝,模拟工况下冬季(263K)的水蒸气凝结率是夏季(303K)的1.7倍。通过实际船舶尺寸建立外流场模型,研究了静风条件下高温烟气的扩散行为对船舶甲板及进风系统的污染,以及实际工况下不同含量的水蒸气发生相变对烟气扩散的影响。区别于航行工况烟气产生的船尾污染,静风环境下污染主要集中在近烟囱区域附近,烟气温度越高对船舶进风系统的污染越小,并初步获得研究工况下烟气由重气向中性气体转化的温度点在417K附近。考虑相变计算后,烟气在甲板域的扩散距离和气云抬升高度随水蒸气占比的变化具有线性关系,当烟气中的水蒸气占比为0～20%范围内,水蒸气含量增加而CO组分减少将会促进烟气云向轻气的转变。本文以冬季靠港船舶烟气沉降为研究背景,以重气扩散模型和水蒸气冷凝相变模型的研究为基础,分析了静风条件下船舶外流场的烟气扩散特性以及对进风系统的污染,旨在为优化船舶设计,防止烟气污染物对船舶设备及人员的影响提供科学指导。