张定海，张百祁

（江苏南极机械有限责任公司，江苏泰兴225400）

0 引言

《船舶压载水国际公约》于2004年被联合国IMO通过，制定公约的宗旨是防止外来生物的迁移，属于环境保护的范畴。压载水是为了平衡船的纵倾横倾，也是装卸货时调整吃水的常用方法，但同时又会将某个港口的水和微生物转移到另一个水域，成为外来物种。因此压载水公约就要求处理船上的压载水。目前有多种方法来处理船舶压载水，利用惰性气体将水中氧气驱离水体使水体中缺氧从而使水体中不产生新的生物活性物质，这一技术在船舶压载水处理中得以应用。其中，惰性气体也有多种类型，本系统采用自制氮气，利用制氮气的压力将水中氧气驱离—驱氧技术使水中生物不再生长。本文针对船舶压载水驱氧处理技术中氮气驱氧后船舶压载舱环境情况，进行试验模拟计算分析。

1 驱氧技术机理

有关自然界氮气氧气基本基理，即自然空气中存在氮气和氧气都难溶于水[1]。本文可利用2个定律来解释水中驱氧的机理，即亨利定律和道尔顿定律。亨利定律是指某种气体在水中的溶解度与液面上该气体的成分（分压）成正比；道尔顿定律即气体混合物的总压等于其中各气体分压之和[2]。

地面天然大气中氧气的成分约为20%，氮气的成分约为79%，在密闭空间内，如果氮气的成分增加到94%，氧气小于6%，水中的溶解氧DO会下降到约为2%～3%，一般微生物都无法生存。如果氮气从空气充入，由于扩散因素，水中的DO不会很快下降。如果从水中充入氮气，则水中的氮分压会高至722 mmHg（1 mmHg＝0.133 kPa），占绝对的优势，势必把溶解氧驱除。这一过程仅需10 s，在保持压载舱内的氮气正压情况下，氮气始终处于优势。氧气本身微溶于水中，氧气属于难溶于水的非极性气体分子，非极性分子与极性水分子之间存在色散力和诱导力2种作用力，这种作用力大小主要取决于分子质量，分子质量越大与水分子的作用力越大，所以分子间的范德华力也越大[3]。简而言之，在水中的氧是利用大气压和水分子间隙混合进入其一定会是一种游离态存在于水分子之间，其本身不与水融合。本文设计在水分子之间的间隙中让氮气、氧气和水分子进行比力的方式，因为氧气分子更大、跑得更快，从而可从水分子边上驱赶出氧气，而由于水中有氮气的间隙填充，离开水中氧气无法轻易回到水中，除非通过机械翻腾曝气或者搅动，例如泵运动，见图1。

图1 分子间间隙

在处理系统中，加配氮气发生器生产氮气的量比水中能溶解的氮气饱和度（20.6mg/L）大很多，超过的部分溢出水面进入水面上的空间。因此又称为过饱和氮处理方法。如图2所示。

正常大气压下，水中氧的含量DO低于9 mg/L4，计算200 t的水里约有1.8 kg 氧气或者氧离子。

图2 数模计算可以看出氧气和氮气从水中溢出

用6.25 kg 以上的氮气将氧气置换掉，这里用的方法是一个物理过程，空气的质量大约是1.26 kg/m3，其中氧气约有252 g，氮气约有900 g，制氮机用7m3的空气可以提取大约5m3（6.25 kg）的氮气。而实际用的这个数值更大，可以做到过饱和。

氮气是由2个氮原子三键连接，N≡N，很稳定几乎不和任何物质发生反应。人们每天会吸入和呼出很多氮气，都没有什么危险，因此氮气不被列为危险气体。然而，氮气过浓氧气不够时，会使人窒息，因此对氮气进行操作时须注意浓度安全。

2 充氮方法

充氮方法是水中充氮，与水面充氮气相比，在水中充氮更为有效。本文设计了试验系统，用玻璃管进行观察，如果没有背压，氮气则呈气泡状；如果在顶部添加背压，氮气就会“溶解”于水[4]。没有传感器能测定氮在水中的存在，则利用测定水中含氧量DO 的方法来推算氮气的可能存在的量。通过数学模型计算可知，氮气会在不长于5倍管径的长度内溶解。经实际试验观察，证明与数学模型计算结果相仿，见其中一例。如图3和图4所示。

图3 氮气在水中溶解的数学模型

图4 氮气驱除舱内氧气过程数学模型

3 模型的选择与简化

氮气和水为紊流流动，氮气的水溶液亦为紊流流动，所以应采用紊流模型进行数值建模。目前，紊流数值模拟方法在实际工程中应用最为广泛的是Reynolds平均法（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS）。在实际工程中，人们更为关注的是由紊流造成的平均流场变化，而不是瞬时脉动量。Reynolds平均法的核心就是求解时均化的动量方程，而不是求解某一瞬间的动量方程。Reynolds平均法中应用较多的是标准k-ε方程模型。在Fluent 中，标准k-ε模型自从被Launder and Spalding 提出之后，其适用范围广、经济、合理的精度使其成为工程流场计算中主要的工具。本文即采用标准k-ε模型进行紊流建模。

标准k-ε模型的连续方程，动量方程、能量方程形式如下

式中：ρ为密度，g/cm3；ui为速度，m/s；P为压力，Pa；μeff为湍流有效粘度，m2/S；h为焓；σh为焓的湍流普朗特数；δij为二阶单位张量；Sra为辐射源项；Sre为反映热源项。

上述方程组可以用如下的通用形式表示

基于产学研融合的宽带无线通信课程教学模式研究………………………………冀保峰，陈苏丹，郑国强，等(68)

溶解氮输运的模拟选择组分模型（Species Model）进行模拟。

组分模型用于对化学组分的输运和燃烧等化学反应进行模拟。Fluent 提供的组分模型包括：通用有限速率模型（Generalized Finite-rate Model，Species Transport ）、非预混燃烧模型（Non-premixed Combustion Model）、预混燃烧模型（Premixed Combustion Model）、部分预混合燃烧模型（Partially Premixed Combustion Model）和组分PDF输运模型（Composition PDF Transport Model）。

气水混合器中溶解氮输运的模拟选择通用有限速率模型。该模型建立在组分输运方程解的基础上，同时采用用户所定义的化学反应机制。该模型的关键是组分输运方程中的反应率，它以源项的形式出现在组分输运方程中。

溶解氮输运的模拟实际上用到了两相流体—气相和液相。鉴于氮气的水溶液中氮气的含量极少，如各种型号的气水混合器中氮气的质量分数均只有0.0029%，可以忽略不计。为简化模型，两相流体均采用液相的参数，即将氮气水溶液的参数设置成与水的参数相同。

4 计算区域边界条件

边界条件的合理设置对数值模拟结果有很大的影响。流体边界定义为流体的进入或离开的界面，包括入口和出口。气水混合器数值模拟的边界条件设置如下：

1）入口1

采用速度入口，入口速度垂直于边界面，水流量为600 m3/h，速度大小为3.14 m/s。

2）入口2

采用速度入口，入口速度垂直于边界面，氮气充入量为6 m3/h，速度大小为17.7 m/s。

3）出口

采用压力出口，设定出口表压为0.005 MPa。型号为NB-200～NB-4000的气水混合器中的水流速和氮气流速等参数，汇总如表1所示。

表1 型号为NB-200～NB-4000的气水混合器中的水流速和氮气流速等参数汇总

型号为NB-600的气水混合器静态等压（高）线如图5所示。

图5 型号为NB-600的气水混合器静态等压（高）线（单位：Pa）

由型号为NB-600的气水混合器的氮气的摩尔浓度云图（见图3）和密度图（见图4）可以看出，氮气气流外围较易被水吸收，而中心不易被水吸收，外围气泡先消失，氮气气泡约在氮气注入管后L（L≈5Di，其中Di为水管管径）处消失，说明此处氮气已完全被水吸收。而型号为NB-600的气水混合器装置的透明管试验表明，氮气气泡约在氮气注入管后5Di处消失，仿真结果与试验结果吻合较好。

5 模拟计算

计算设定采用2 000 m3的类似船舶水舱结构，其配置参数如表2所示。

表2 2 000 m3 船舶水舱结构配置参数

续表2

6 计算条件

数学模型计算即用计算机仿真流体力学来模拟分析不同比例水位水流和气体的分布情况。计算针对200 m3/h～4 000 m3/h 的系统，采用模块化设计系统，进行非连续动态模型建模[5]。

传统的液体在管内流动的流体力学已经非常熟悉，即无因次的雷诺数（Reynolds），在不计算流体的粘性和弹性时，称为牛顿理想流体。当雷诺数Re＜2 000时，流体呈层流状态；当Re＞4 000时，流体呈紊流状态；2 000＜Re＜4 000时，称为过渡状态。

实际上，海水的密度随温度发生变化，黏度也随之而变。海水在21℃时，运动粘度V＝1.034×10−6m2/s。NB-600中，进、出口直径D＝200 mm，流量Q＝600 m3/h。

式中：v为管内流速，m/s；D为管内径，m；V为水的运动粘度，1.034×10−6m2/s。Re＝456 480时，Re＞4 000，流速相对稳定，属于紊流。

计算水分别流入2 000 m3模拟船舱的状况，分别模拟计算水位在30%、50%、80%、100%时的水流情况。如图6～图9所示。

图6 水位30%水流气流数学模型

图7 水位50%水流气流数学模型

图8 水位80%水流气流数学模型

图9 水位100%水流气流数学模型

由图6～图9可知，水的纹流线基本相同，气体扩散也基本相象。

因为压载水处理考虑的是压载水中生物情况，在考虑进水灭活生物的同时要考虑船舶航行时，压载水在压载舱的停留，这个时间有长有短，在压载水处理中被称为停留时间（Holding Time），系统要保证短时间处理效果也要保证长时间停留在压载舱的压载水中的生物不会再生长。因此，此次计算继续研究压载水在驱氧处理过后进入压载舱以后的状况。

本文分别计算了压载水进入压载舱30%、50%、80%、100%时的水气情况和0 h～24 h 及24h～96 h 的情况，部分数据来源于实际试验。

以下是3次试验水体氧溶量的变化结果，分别有一个溶氧仪在2个不同水舱的水里，试验舱是驱除过氧气的水，氧含量在24 h 左右降到最低并持续保持。如图10～图12所示。

图10 实验监测水中氧含量报告，实验3次数据变化

图11 模型计算显示3种不同水位的水气情况

试验和模拟计算的结果显示，驱氧法处理船舶压载水时，进入压载舱的水中加入超量氮气驱除水中的氧，通过P/V 阀产生背压，使水中氧气驱离水体一部分通过气阀顶出水舱，一部分依然保持和剩余空间的空气混合，在没有达到整个舱充满压载水的情况下，水舱中24 h 内水中持续有氧被氮气驱出，此阶段P/V 阀持续向外有气体溢出，这一过程在24小时内逐步停止，继后水舱中仍保持正压，而水面以上空余部分保持有氮气和氧气，在相对静止情况下这些氮气和氧气都无法再回到水中，因为水中水分子间的间隙被氮气填充，在分子比力情况下氮气分子会更稳定的围绕在水分子边。这一平衡状态在没有搅动、对流等剧烈运动将不会改变。

图12 100%满舱气态变化

7 结论

模拟计算结果显示气水混合的氮气摩尔浓度云图和密度图在管路中已具特点，氮气气流中心不易被水吸收，外围气泡先消失；氮气气泡约在氮气注入管后的2倍～6倍水管管径（Di）处消失，说明此处氮气已在水中驱离其他气体。经过计算机仿真计算，从速度场、压力场和迹线等方面进行了可视化显示。在足够长的管路中，氮气会被水吸收并驱出其他气体以保持密度平衡。

各水位的计算结果显示，同样舱体环境下不同水位中水流情况基本相同，气体扩散也基本相同。模拟计算可以看出，由于系统给予超量的氮气使舱内水中持续有气体溢出并在系统停止水位停滞约24 h 以后趋于平衡。这一计算结果在实际试验中也具有同样表现。计算和试验显示空余舱位中的气体由于其本身物理特性在没有外界力量干预的情况下并不会对水体产生影响，可在密闭环境中达到相对平衡。