基于CFD的船载温室气体连续排放监测系统烟气流量测量策略优化

《Results in Engineering》：CFD-Based Optimization of a Flue Gas Flow Measurement Strategy for Shipboard GHG-CEMS

　　

精确的烟气流量测量对于船载连续排放监测系统（CEMS）中可靠的温室气体（GHG）排放量化至关重要，尤其是在日益严格的国际排放法规下。然而，现有船舶的实际安装限制常常阻碍符合现行标准推荐的理想测量条件，导致流场不均匀和测量不确定性增加。本研究提出了一种基于计算流体动力学（CFD）的方法，用于优化典型船舶排气系统中的烟气流量测量。研究人员在九个发动机负荷下进行了CFD模拟，以表征下游流场，同时在70%和100%最大连续额定功率（MCR）下使用两种探头布置评估了探头插入深度。结果表明，位于锅炉出口下游3.05–5.25 m的测量平面为实际安装提供了足够稳定的速度分布。探头插入深度为管道直径的15%，结合扇区加权平均法，将相对速度误差降低至1.8%以下，而使用传统算术平均法时误差高达3.60%。进一步推导了案例特定的多项式校正函数，以改善扇区加权速度与截面质量流量平均速度之间的一致性。优化的测量策略在一艘运行中的船舶上实施，与L型皮托管测量结果的偏差低于0.6%。所提出的工作流程为具有类似安装限制的船舶设计烟气流量测量系统提供了一个实用的CFD辅助框架，而校正函数本身应被视为案例特定，需要针对不同的排气几何形状进行重新校准。

随着全球气候变暖加剧，温室气体（GHG）减排成为国际共识，国际海事组织（IMO）于2023年通过了《IMO船舶温室气体减排战略》，目标在2050年左右实现国际航运净零排放。船舶连续排放监测系统（CEMS）是量化排放、满足法规的关键工具，其中烟气流量测量的准确性直接影响质量排放率的计算。然而，现有船舶排气系统布局紧凑，弯头、消音器、锅炉等部件导致流场严重不均匀且不对称，国际标准（如EN ISO 16911）要求的理想测量条件难以满足，导致测量不确定性增加。为此，研究人员开发了基于计算流体动力学（CFD）的优化方法，旨在单船案例中确定最佳测量位置、探头插入深度和数据处理策略，提升船载GHG-CEMS的测量精度。该研究发表在《Results in Engineering》。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：1）构建包含锅炉管束详细几何的三维CFD模型，采用SST k–ω湍流模型模拟可压缩湍流；2）基于实测运行数据，在9个发动机负荷（25%–100% MCR）下进行稳态模拟，分析下游流场；3）评估探头插入深度（9%–21%管径）对两种周向布置（Set 1和Set 2）的影响；4）引入扇区加权平均法，补偿非均匀探头间距；5）通过多项式拟合建立案例特定的速度校正函数；6）实船对比验证，采用临时15点L型皮托管阵列与永久自动测量系统（AMS）进行比对。

研究结果部分如下：

**5.1 评估位置定义**：在管道中心线YZ和XZ平面定义7条评估线，用于分析下游轴向速度分布。结果表明，Lines 1–4区域速度分布形状和幅度变化较小，指示相对稳定的测量区域。

**5.2 数值收敛与监测速度历史**：通过均方根残差和监测点速度历史评估收敛性。70% MCR条件下，质量和动量方程残差降至3.0×10^?5以下，但速度存在小幅周期波动；最终取最后200次迭代平均值以消除残余振荡。

**5.3 近壁面分辨率**：无量纲壁面距离y⁺值在计算域内低于约50，符合自动壁面处理要求，表明棱柱层网格提供适当近壁面分辨率。

**5.4 流场分析**：流线显示上游弯头导致显著不对称性。轴向速度剖面表明，Lines 1–4区域速度分布相对稳定，考虑安装空间后，AMS探头安装在锅炉出口下游3.495 m处（介于Line 2与Line 3之间）。由于安装限制，探头周向间距不均匀，Set 2间隔为60°、120°、40°、45°、95°。

**5.5 扇区加权平均法**：定义扇区加权速度V? = Σ(V_i·Δθ_i) / ΣΔθ_i，每个探头按其代表周向扇区角加权。与算术平均相比，扇区加权平均与截面质量流量平均速度的偏差更小，所有负荷下相对误差从3.10%–3.60%降至1.12%–1.77%。

**5.6 探头插入深度影响**：在70%和100% MCR条件下，对两种探头布置评估5种插入深度（9%–21%管径）。对于Set 2，算术平均在9%插入深度时误差最小，而扇区加权平均在15%时误差最小；综合两种布置，15%插入深度结合扇区加权平均提供最一致性能。该深度被选定为最优，但需注意其案例特定性。

**5.7 平均方法比较**：在所有9个负荷下，扇区加权平均法均优于算术平均法，误差范围为1.12%–1.77%，而算术平均误差为3.10%–3.60%。改善归因于对非均匀周向间距的补偿。

**5.8 AMS与L型皮托管平面比较**：在AMS测量平面上游350 mm处定义L型皮托管位置，提取CFD速度进行比较。B-1至B-4位置相对差异小于0.75%，B-5位置差异较大（约0.67%），表明流场在350 mm轴向距离内变化适中，支持测量平面选择。

**5.9 锅炉管束传热对下游流场的影响**：在100% MCR条件下，加入传热模拟（冷却侧温度65°C，校准总传热系数22.5 W/(m²·K)），结果与绝热情况相比，质量流量平均速度变化0.29%，扇区加权速度变化0.17%，相对误差从1.22%增至1.33%。表明绝热简化对下游速度场影响有限，但仅验证了全负荷工况。

**5.10 案例特定速度校正函数**：定义校正系数f = w?_mass / w?_sector。对9个负荷点拟合六阶多项式（R²=0.9958），得到f(η) = 2×10^?12η⁶ ? 9×10^?10η⁵ + 10^?7η⁴ ? 10^?5η³ + 0.0006η² ? 0.0132η + 1.1254（η为负荷百分比）。校正后扇区加权速度与质量流量平均速度更接近。该函数仅适用于本案例，外推不可靠。

**5.11 实船试验比较**：将永久AMS系统与临时15点L型皮托管阵列（三个插入深度4.4%、15%、30%管径，每个深度5个周向位置）在实船60% MCR左右工况下对比约2700秒。AMS使用扇区加权平均，皮托管组合使用周向扇区加权和等面积加权。时间平均速度分别为10.26 m/s和10.20 m/s，相对差异0.59%。该对比为所选策略提供初步现场支持，但受限于单次试验、负荷波动和皮托管校准不确定性。

讨论部分指出，所提出的校正函数和插入深度均为案例特定，不可直接推广；但整个工作流程（CFD流场表征、测量位置选择、探头深度评估、空间加权、配置特定校正、实船对比）具有可转移性。实船对比结果仅代表工程验证，而非全面确认。研究局限性包括：仅针对单船单排气构型，校正函数基于案例特定CFD结果，传热敏感性仅在全负荷下评估。未来工作需包括正式测量不确定度分析、长期重复实船测试、瞬态工况验证以及多船多构型验证。

研究结论部分翻译如下：
1. CFD分析在9个发动机负荷下识别出锅炉出口下游约3.05–5.25 m区域为相对稳定测量区域；考虑实船安装约束，选定下游3.495 m平面。
2. 在70%和100% MCR下评估两种探头布置，插入深度为管径15%时，结合扇区加权平均法提供最一致结果；该深度针对本案例，非通用最优。
3. 在9个模拟负荷下，扇区加权平均法将五探头估计与截面质量流量平均CFD速度的偏差降至1.12%–1.77%（算术平均为3.10%–3.60%），表明补偿非均匀周向间距的益处。
4. AMS与上游L型皮托管平面对应位置的速度差异较小，流场在选定测量区域内变化适中；该比较支持测量平面选择，但不构成独立数值验证。
5. 在100% MCR条件下，显式模拟锅炉管束传热使质量流量平均速度变化约0.29%，绝热简化对全负荷下游速度场影响有限，但其他负荷下适用性需进一步评估。
6. 开发了负荷依赖的校正函数，以补偿扇区加权速度与质量流量平均速度间的残余偏差；多项式系数为案例特定，需针对其他排气构型重新计算或独立验证。
7. 实船对比中，永久AMS系统与临时L型皮托管阵列的时间平均速度相对差异低于1.0%，为选定安装和平均策略提供初步现场支持。