海上的清新空气：预测邮轮的废气羽流扩散

现代邮轮通常被称为“漂浮的酒店”，其内设有豪华客舱、各种购物、餐饮和娱乐区以及新颖的户外游泳和休闲区。邮轮上环境舒适、设施完备，让乘客期待开启一场豪华的体验之旅。大型邮轮可容纳多达 6,000 名乘客和 2,000 名员工，相当于一座漂浮在海上的小镇。

当乘客在休闲和享受船上的各种设施时，许多服务都在幕后默默运作，包括为邮轮供电的柴油发动机、向餐厅供应食物的厨房，以及洗衣房和垃圾焚化炉。但是这些设备会产生一种不良副产品，就是必须排放到船外的废气。如果这些废气飘回到船上，会使乘客和船员产生“嗅觉不适”。乘客会避开或不去使用带有难闻气味的区域。人类的嗅觉非常敏感，即便是浓度低至万分之三的柴油废气都会令乘客感到不适。船东不希望令乘客感到任何不适或造成浪费/死角空间，同时还希望保留船舶的整体美感和设计。

大西洋造船厂在设计和建造邮轮方面拥有丰富的经验，可以满足各种高要求和高标准，已经交付了许多在世界各地运营的船舶。大西洋造船厂拥有一百多年的造船史，并且能够创新并打造奢华的邮轮体验，这些成就令其引以为豪。大西洋造船厂曾经打造过一艘大型邮轮“海洋和谐号”，这艘邮轮近期在 Seatrade 展览会上斩获了油耗效率大奖。地中海航运公司 (MSC) 的“传奇号”邮轮采用了大西洋造船厂在其 ECORIZON 项目中开发的所有新环境功能。

大西洋造船厂致力于打造节能舒适的出色船舶，目前正在其设计过程中提高对计算流体力学 (CFD) 的应用。大西洋造船厂系统性地应用 CFD 已超过 10 年，公司通过 CFD 优化船身几何体和船舶与波浪的相互作用。近来，大西洋造船厂开始使用 CFD 作为预测上层建筑附近废气羽流扩散情况的工具。这一方法使其能够详细了解羽流行为并改进烟囱和排气口的设计，避免排出的废气进入客舱甲板。他们使用的是 Simcenter™ STAR-CCM+® 软件，该软件是 Siemens Simcenter 先进仿真工具产品组合的一部分。

船舶羽流

船上的多个位置都会排出气体，废气通常比周围的空气温度更高，因此它们会呈羽流状从排气口中上升。这一羽流的形成在很大程度上取决于环境条件。邮轮的平均航速为 20 节，而主风向在强度和方向上都可能有所变化。与外部气流相比，排气口处的废气速度通常较低，因此羽流运动并形成湍流状，同时非常不稳定。传统的高斯羽流模型无法正确捕获羽流的形成，因其忽略了侧风对气流的影响。相反，更好的方法是将羽流看作一系列“喷发的气流”，即在三维空间中运动并随着时间扩大分散的高度不稳定的风。

Simcenter STAR-CCM+ 中的羽流建模

为了使用 Simcenter STAR-CCM+ 检查羽流扩散情况，大西洋造船厂对船舶的整个上层建筑进行了建模。每艘船舶都有不同的三维计算机辅助设计 (CAD) 模型，由大西洋造船厂与船东和建筑师共同创建并维护。其设计必须从美观性和实用性角度满足多种要求，排气口的布置和设计只是其中一个环节。邮轮的上层建筑是复杂的几何结构，具有各种尺度的详细特征。这些特征会对上层建筑周围的气流模式产生重大影响，进而影响羽流的扩散情况，因此在 CFD 模型中保持高度的细节处理至关重要。Simcenter STAR-CCM+ 包面功能可根据导入的 CAD 几何体自动创建闭合的起始曲面。包面功能不会破坏几何体，仍然会保留上层建筑的全部细节。使用此功能可以快速轻松地设置模型，只需进行很少的手动几何体准备工作。在将全尺寸 CAD 模型导入到 Simcenter STAR-CCM+ 后，可对其进行包络、网格化和设置，以便在一次仿真过程中对多个排气口进行建模。对于所有案例都采用相同的常规网格设置，以确保结果一致且可比较，但在每个排气口的下游额外定义了特定的网格细化，其位置取决于所测试的风向。整个网格包括约 3,500 万个单元，包围着一艘尺寸为 350 米长、40 米宽、65 米高的典型船舶。

由于羽流动力学极不稳定，因此稳定的雷诺平均纳维-斯托克斯方程 (RANS) 仿真并不适用。可以使用分离涡模拟 (DES) 混合建模方法作为替代。DES 法在边界层中采用 RANS 建模，但是在分离（高度湍流）气流中可以切换为大涡模拟 (LES) 模型。这就为在所需区域中（例如在羽流中）预测湍流在气流形成中所起的作用提供了更高的准确度。为了跟踪废气的浓度，可使用多相法，将每种类型的废气输出定义为不同的相。这样可以在一次 CFD 仿真过程中分析多个排气口，从每个模型中获得尽可能多的信息量。在典型的仿真中，船舶周围的速度场呈现为高度湍流，会从上层建筑上形成并流下许多涡流。可以将羽流结构视作指定水平的质量分数的等值面。不同废气的浓度可在整个模型中进行监测，并且可以轻松找到浓度高于所需水平的任何区域。

检查初始设计时，大西洋造船厂首先关注风速和风向的极端配置。随着设计的完善，会对更加广泛、更加详细的配置进行分析，包括来自各个方向的三种不同强度的风。排气速度也会根据船舶的实际航行情况而变化。船舶的上层建筑有超过 25 个主排气口。为了减少工况总数，每次仿真至多可以包含 8 个排气口，并对 4 到 5 个不同相位进行建模。即便是这样，每种设计也可能存在大量工况。大西洋造船厂在其群集中批量运行工况，并且设定了标准分析设置，可以快速比较结果。

从签署合同到交付建成的船舶，履行标准造船合同至多只需要三年时间。羽流分析是初始详细设计阶段的一个环节，在合同的前六个月内进行。在此阶段，大西洋造船厂与船东密切合作，分享这些 CFD 仿真的结果，并为建议的设计提供反馈。在完成最终设计之前，可能需要进行多次设计迭代；虽然美观性很重要，但船东不会愿意承担招致不良羽流行为的风险，因此这种反馈和迭代是设计过程的重要环节。

对结果信心十足

在使用 Simcenter STAR-CCM+ 之前，大西洋造船厂进行了风洞测试以观察羽流扩散情况。虽然在风洞中可以很容易地快速更改设计并反复获得结果，但缩比模型尺寸限制了可捕获的细节程度。这种限制给羽流的行为带来了一些不确定性，特别是在船舶侧面的狭小空间附近。使用 Simcenter STAR-CCM+ 可以在全尺寸船舶几何体上对羽流行为进行仿真，进而保留其全部细节。CFD 分析可以更好地理解船舶周围和羽流的全部流动特性。大西洋造船厂现在已经常态化使用 Simcenter STAR-CCM+ 替代风洞试验来进行 CFD 方面的羽流扩散研究。

因为“嗅觉舒适”是一种主观的判断，所以验证 CFD 研究并不容易。然而，大西洋造船厂能够将他们的 Simcenter STAR-CCM+ 预测结果与已经建造完成的船舶读数结果进行比较，两者之间的相关性验证了以这种方式使用 CFD 的可靠性。

结语

确保邮轮上的废气和污染气体能够有效扩散，对于满足乘客对邮轮体验的预期至关重要。如果烟囱设计不合理，则可能导致某些区域气味舒适度较差，进而导致客户不会充分利用这些区域。由于空间非常宝贵，船东不希望承担使乘客产生不适或者让任何空间闲置的风险。通过在 Simcenter STAR-CCM+ 中进行 CFD 仿真，大西洋造船厂能够以全尺寸分析整艘船舶的几何体，从而预测结构上任意一处的羽流扩散情况和废气浓度。他们在早期设计阶段通过这些信息向船东和设计师提供反馈。由于可以在一次仿真过程中对多处废气进行建模，所以这一流程非常高效。

与以往相比，这种建模方法可以更好地了解羽流的特点及其与船舶上层建筑间可能存在的相互作用，目前已在设计阶段中取代了风洞试验来进行废气扩散预测。在 Simcenter STAR-CCM+ 的协助下，大西洋造船厂正持续地开发和建造更出色的在役邮轮。