胡 浩，華呈新，季惠玲

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引言

現(xiàn)代建造的船舶種類繁多，不同功能的艙室對于空調(diào)送風(fēng)的要求不盡相同。溫控實(shí)驗(yàn)室是科考船上一類特殊的艙室，對此類艙室實(shí)驗(yàn)區(qū)域溫度的控制要求不同于對船舶普通住艙的溫度控制要求。因此，文章針對溫控實(shí)驗(yàn)室工況設(shè)計(jì)了通風(fēng)布置方案，并對氣流分布進(jìn)行了模擬分析。本文中的溫控實(shí)驗(yàn)室采用“側(cè)送上回”的送、回風(fēng)方式，即側(cè)面柱狀布風(fēng)器送風(fēng)，頂部回風(fēng)格柵回風(fēng)。而傳統(tǒng)艙室一般布置頂部布風(fēng)器，采用“上送下回”的送、回風(fēng)方式。

計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）廣泛用于分析氣流組織，使用這種方法分析船舶艙室氣流分布符合現(xiàn)代數(shù)字化造船的要求[1-3]。為驗(yàn)證空調(diào)通風(fēng)方案設(shè)計(jì)的合理性，本文以溫控實(shí)驗(yàn)室為研究對象，分析了使用“側(cè)送上回”通風(fēng)方案時(shí)艙室實(shí)驗(yàn)區(qū)域的氣流分布。

1 通風(fēng)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)溫控實(shí)驗(yàn)室夏季與冬季不同的工況溫度要求，同時(shí)為滿足實(shí)驗(yàn)區(qū)域溫度均勻性和通風(fēng)環(huán)境低噪化的需求，本文提出了一種溫控實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)設(shè)計(jì)方案，如圖1所示。

圖1 溫控實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)設(shè)計(jì)圖

使用2臺立式柱狀布風(fēng)器通風(fēng)末端作為送風(fēng)組件，選取標(biāo)準(zhǔn)為送風(fēng)量大、送風(fēng)溫差小，滿足室內(nèi)實(shí)驗(yàn)區(qū)域的溫度均勻性要求，避免出現(xiàn)局部過冷或過熱的現(xiàn)象。柱狀布風(fēng)器垂直于實(shí)驗(yàn)室地板面，在實(shí)驗(yàn)室呈等高對角布置，而回風(fēng)格柵布置于整個(gè)實(shí)驗(yàn)室房間的頂部中央位置。采用這種布置的目的在于保證空氣在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)得到最大范圍的流動(dòng)，形成流暢的循環(huán)通風(fēng)系統(tǒng)，使實(shí)驗(yàn)室內(nèi)氣流流動(dòng)順暢、無死角。2臺柱狀布風(fēng)器通風(fēng)末端與下層甲板的中央空調(diào)器均通過直徑為300 mm的圓形風(fēng)管相連接。根據(jù)送風(fēng)量，計(jì)算風(fēng)管內(nèi)的風(fēng)速為8 m/s，遠(yuǎn)小于船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[4]規(guī)范規(guī)定的風(fēng)機(jī)排出側(cè)風(fēng)速，排除送風(fēng)風(fēng)管空氣高噪音的可能性。

同時(shí)，回風(fēng)格柵上部設(shè)置的回風(fēng)箱是由天花板與其上方船舶甲板、側(cè)方船舶大梁通過密封絕緣壓條構(gòu)成的腔室。4根200×200（mm×mm）回風(fēng)風(fēng)管從下層甲板的中央空調(diào)器中延伸至回風(fēng)箱內(nèi)，每個(gè)回風(fēng)風(fēng)管上均勻開設(shè)3個(gè)300×150（mm×mm）且開口朝上的回風(fēng)口。當(dāng)回風(fēng)通過格柵進(jìn)入回風(fēng)箱后，空氣通過中央空調(diào)器的作用吸入回風(fēng)風(fēng)管的回風(fēng)口中，避免空氣通過回風(fēng)格柵直接進(jìn)入風(fēng)管產(chǎn)生的氣流噪音。此外，為保證風(fēng)量平衡，艙室頂部設(shè)置有2個(gè)抽風(fēng)頭。

2 物理模型和邊界條件

本船舶溫控實(shí)驗(yàn)室的建筑面積是 4.86×3.26（m×m），層高2.47 m，工作人員為3人。為方便分析計(jì)算，利用三維軟件CATIA建模，如圖2所示。溫控實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部實(shí)驗(yàn)設(shè)備包括 1個(gè)潔凈實(shí)驗(yàn)臺，家具設(shè)備包括2張工作桌、4張椅子、1個(gè)洗手池、2臺電腦以及1個(gè)顯示屏，照明設(shè)備為4個(gè)熒光燈和1個(gè)筒燈，通風(fēng)設(shè)備包括2個(gè)柱狀布風(fēng)器（送風(fēng)）、4個(gè)回風(fēng)格柵和2個(gè)抽風(fēng)頭（回風(fēng)）。使用數(shù)值計(jì)算軟件FLoEFD模型進(jìn)行三維網(wǎng)格劃分，如圖3所示，為保證計(jì)算精度，整個(gè)計(jì)算域的網(wǎng)格總數(shù)為50萬。

圖2 溫控實(shí)驗(yàn)室物理模型

圖3 溫控實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)格劃分

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室邊界條件的類型，將邊界條件劃分成四類，夏季和冬季工況的具體邊界條件如下：

1）入口邊界條件：實(shí)驗(yàn)室對角布置2個(gè)柱狀布風(fēng)器，夏季和冬季的送風(fēng)量為4 100 m3/h，根據(jù)艙室設(shè)計(jì)要求，送風(fēng)溫度分別為0.8℃和29.2℃。

2）出口邊界條件：實(shí)驗(yàn)室天花板均勻設(shè)置4個(gè)回風(fēng)格柵，總回風(fēng)量為3 900 m3/h，此外還布置2個(gè)抽風(fēng)頭，抽風(fēng)量為200 m3/h，出口壓力為環(huán)境壓力。

3）壁面邊界條件：計(jì)算實(shí)驗(yàn)室艙壁與其他相鄰房間的傳熱溫差。艙室夏季工況下，上側(cè)艙壁傳熱量為128.34 W，下側(cè)艙壁傳熱量為184.14 W，與洗手池相鄰艙壁傳熱量為67.76 W，相對艙壁的傳熱量為88.39 W，其余艙壁傳熱量為220.97 W。冬季工況下，上述艙壁的傳熱量分別為44.64 W、133.92 W、23.57 W、45.5 W和88.39 W。

4）室內(nèi)熱源：燈具包括熒光燈和筒燈，散熱量分別為144 W和60 W，人體發(fā)熱總量為210 W，每臺電腦的發(fā)熱量為200 W。

3 數(shù)學(xué)模型

為保證艙室內(nèi)部數(shù)值計(jì)算中流體流動(dòng)的連續(xù)性，需應(yīng)用流體的三大控制方程，即連續(xù)、動(dòng)量以及能量方程[5]。

1）連續(xù)方程

式中：ρ為密度，kg/m3；u為速度，m/s；t為時(shí)間，s。

2）動(dòng)量方程（X方向）

式中：μ為動(dòng)力粘度，Pa·s；p為空氣壓力，Pa；Fx為切向力，N。

3）能量方程

式中：T為空氣溫度，℃；ST為能量源項(xiàng)，J。

影響艙室內(nèi)部實(shí)際流場和溫度場的因素非常復(fù)雜，考慮到數(shù)值計(jì)算的收斂性，需對數(shù)值模型進(jìn)行相應(yīng)的簡化。為簡化計(jì)算，現(xiàn)作如下假設(shè)：1）室內(nèi)空氣流動(dòng)為低速流動(dòng)，視為不可壓縮流體；2）室內(nèi)流體以對流換熱為主，不考慮空氣的輻射傳熱；3）室內(nèi)流場簡化為穩(wěn)態(tài)流場，忽略時(shí)間常數(shù)。

4 結(jié)果分析與討論

本文對夏季和冬季兩種工況進(jìn)行了模擬，選取了典型截面的溫度和速度場，考慮了艙室用途，選取了潔凈工作臺實(shí)驗(yàn)區(qū)域的橫向截面（距底部艙壁0.8 m）和縱向截面（距相鄰側(cè)艙壁0.75 m）。

4.1 夏季設(shè)計(jì)工況

夏季工況下，橫截面的溫度分布如圖 4a）所示。布風(fēng)器送風(fēng)方向區(qū)域溫度較低，在0.5℃～1℃范圍之間，其它區(qū)域的整體溫度控制在 1℃～2.5℃之間；由于人體和電腦散熱，與其相鄰區(qū)域流場溫度偏高，在 3.5℃以上，與四周圍壁接觸的流場區(qū)域存在局部過熱的現(xiàn)象；潔凈工作臺實(shí)驗(yàn)區(qū)整體溫度控制在1℃～2℃的范圍內(nèi)。

縱向截圖的溫度分布如圖4b）所示。頂部溫度場受燈光散熱影響區(qū)域溫度過高，在3.5℃以上；布風(fēng)器送風(fēng)方向區(qū)域的溫度地域其它區(qū)域溫度，與橫向截面溫度較低區(qū)域保持一致，在0.5℃～1℃之間；潔凈工作臺實(shí)驗(yàn)區(qū)在縱向上整體溫度分布較為均勻，在1℃～2℃的范圍內(nèi)。

圖4 夏季工況溫度分布

速度在橫向截面的分布如圖 5a）所示。圖中：布風(fēng)器出風(fēng)口方向上的速度過高，在0.35 m/s以上，在不受設(shè)備阻擋的情況下，其隨水平射流速度逐漸減小，最終下降到0.2 m/s以下；潔凈工作臺實(shí)驗(yàn)區(qū)域整體風(fēng)速低于0.15m/s，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行沒有影響。

速度在縱向截面的分布如圖5b）所示。圖中：送風(fēng)和回風(fēng)區(qū)域整體偏高，在0.35 m/s以上；潔凈工作臺實(shí)驗(yàn)區(qū)風(fēng)速分布均勻，風(fēng)速偏低，在0.15 m/s以下。

圖5 夏季工況速度分布

4.2 冬季設(shè)計(jì)工況

圖 6a）顯示了冬季工況下溫控實(shí)驗(yàn)室橫向截面的溫度分布情況。從圖中可以看出：截面的絕大部分溫度在28℃～29℃范圍之間；布風(fēng)器出口附近的溫度場溫度較高，在29℃～30℃范圍內(nèi)；兩側(cè)實(shí)驗(yàn)桌面布置電腦主機(jī)區(qū)域溫度受電腦散熱影響，溫度偏高，在29℃～30℃范圍內(nèi)；與四周圍壁相鄰區(qū)域，由于壁面散熱，溫度相對整體溫度偏低，在27℃以下；潔凈工作臺的溫度在28℃～29℃之間。

冬季工況下溫控實(shí)驗(yàn)室縱向截面的溫度分布情況如圖6b）所示。圖中：縱向接近底部區(qū)域（除靠近布風(fēng)器區(qū)域）的整體溫度偏低，在27℃以下，原因在于底部艙壁在向外散熱的同時(shí)，由于采用“側(cè)送上回”的方式，送風(fēng)在底部出現(xiàn)氣流死角區(qū)域；頂部由于燈光散熱，周圍區(qū)域溫度較高，在 33℃以上；潔凈工作臺在縱向上除底部溫度相對偏低，其他區(qū)域整體溫度分布較為均勻，并整體控制在28℃～30℃范圍內(nèi)。

圖6 冬季工況溫度分布

冬季工況下，速度在橫向截面的分布如圖 7a）所示。潔凈工作臺實(shí)驗(yàn)區(qū)域流場的風(fēng)速低于0.15 m/s，滿足實(shí)驗(yàn)不受風(fēng)速影響的要求；除布風(fēng)器出口風(fēng)速過高在0.35 m/s以上，其他區(qū)域風(fēng)速整體都在0.25 m/s以下，且分布較為均勻。

冬季工況下，速度在縱向截面的分布如圖7b）所示。圖中：送風(fēng)口與回風(fēng)口為高速區(qū)域，風(fēng)速在0.35 m/s以上；潔凈工作臺實(shí)驗(yàn)區(qū)的大部分區(qū)域風(fēng)速在0.15 m/s以下。

圖7 冬季工況速度分布

5 結(jié)論

根據(jù)溫控實(shí)驗(yàn)室對于溫度控制的要求，同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)區(qū)域通風(fēng)的均勻性，文章提出了一種以柱狀布風(fēng)器為主要送風(fēng)末端、回風(fēng)格柵為主要回風(fēng)末端的通風(fēng)設(shè)計(jì)方案。文章對實(shí)驗(yàn)室艙內(nèi)的氣流分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對潔凈工作臺實(shí)驗(yàn)區(qū)域典型截面的溫度和速度分布進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：潔凈工作臺實(shí)驗(yàn)區(qū)域在夏季和冬季工況下，區(qū)域的風(fēng)速都在0.15 m/s以下，且分布較為均勻；夏季實(shí)驗(yàn)區(qū)域的溫度整體控制在1℃～2℃之間，冬季實(shí)驗(yàn)區(qū)域溫度整體控制在28℃～30℃之間；布風(fēng)器出口區(qū)域的風(fēng)速偏高，且夏季工況下溫度偏低，但這對實(shí)驗(yàn)區(qū)域的風(fēng)速和溫度影響不大。