海洋科學考察船溫控實驗室通風方案設計與仿真

胡 浩，華呈新，季惠玲

（江南造船（集團）有限責任公司，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)送風的要求不盡相同。溫控實驗室是科考船上一類特殊的艙室，對此類艙室實驗區(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，文章針對溫控實驗室工況設計了通風布置方案，并對氣流分布進行了模擬分析。本文中的溫控實驗室采用“側(cè)送上回”的送、回風方式，即側(cè)面柱狀布風器送風，頂部回風格柵回風。而傳統(tǒng)艙室一般布置頂部布風器，采用“上送下回”的送、回風方式。

計算流體力學（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]。為驗證空調(diào)通風方案設計的合理性，本文以溫控實驗室為研究對象，分析了使用“側(cè)送上回”通風方案時艙室實驗區(qū)域的氣流分布。

1 通風設計方案

根據(jù)溫控實驗室夏季與冬季不同的工況溫度要求，同時為滿足實驗區(qū)域溫度均勻性和通風環(huán)境低噪化的需求，本文提出了一種溫控實驗室的通風設計方案，如圖1所示。

圖1 溫控實驗室通風設計圖

使用2臺立式柱狀布風器通風末端作為送風組件，選取標準為送風量大、送風溫差小，滿足室內(nèi)實驗區(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。柱狀布風器垂直于實驗室地板面，在實驗室呈等高對角布置，而回風格柵布置于整個實驗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驗室內(nèi)得到最大范圍的流動，形成流暢的循環(huán)通風系統(tǒng)，使實驗室內(nèi)氣流流動順暢、無死角。2臺柱狀布風器通風末端與下層甲板的中央空調(diào)器均通過直徑為300 mm的圓形風管相連接。根據(jù)送風量，計算風管內(nèi)的風速為8 m/s，遠小于船舶設計實用手冊[4]規(guī)范規(guī)定的風機排出側(cè)風速，排除送風風管空氣高噪音的可能性。

同時，回風格柵上部設置的回風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）回風風管從下層甲板的中央空調(diào)器中延伸至回風箱內(nèi)，每個回風風管上均勻開設3個300×150（mm×mm）且開口朝上的回風口。當回風通過格柵進入回風箱后，空氣通過中央空調(diào)器的作用吸入回風風管的回風口中，避免空氣通過回風格柵直接進入風管產(chǎn)生的氣流噪音。此外，為保證風量平衡，艙室頂部設置有2個抽風頭。

2 物理模型和邊界條件

本船舶溫控實驗室的建筑面積是 4.86×3.26（m×m），層高2.47 m，工作人員為3人。為方便分析計算，利用三維軟件CATIA建模，如圖2所示。溫控實驗室內(nèi)部實驗設備包括 1個潔凈實驗臺，家具設備包括2張工作桌、4張椅子、1個洗手池、2臺電腦以及1個顯示屏，照明設備為4個熒光燈和1個筒燈，通風設備包括2個柱狀布風器（送風）、4個回風格柵和2個抽風頭（回風）。使用數(shù)值計算軟件FLoEFD模型進行三維網(wǎng)格劃分，如圖3所示，為保證計算精度，整個計算域的網(wǎng)格總數(shù)為50萬。

圖2 溫控實驗室物理模型

圖3 溫控實驗室網(wǎng)格劃分

根據(jù)實驗室邊界條件的類型，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：實驗室對角布置2個柱狀布風器，夏季和冬季的送風量為4 100 m3/h，根據(jù)艙室設計要求，送風溫度分別為0.8℃和29.2℃。

2）出口邊界條件：實驗室天花板均勻設置4個回風格柵，總回風量為3 900 m3/h，此外還布置2個抽風頭，抽風量為200 m3/h，出口壓力為環(huán)境壓力。

3）壁面邊界條件：計算實驗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)學模型

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

1）連續(xù)方程

式中：ρ為密度，kg/m3；u為速度，m/s；t為時間，s。

2）動量方程（X方向）

式中：μ為動力粘度，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，J。

影響艙室內(nèi)部實際流場和溫度場的因素非常復雜，考慮到數(shù)值計算的收斂性，需對數(shù)值模型進行相應的簡化。為簡化計算，現(xiàn)作如下假設：1）室內(nèi)空氣流動為低速流動，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驗區(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 夏季設計工況

夏季工況下，橫截面的溫度分布如圖 4a）所示。布風器送風方向區(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；潔凈工作臺實驗區(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；布風器送風方向區(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；潔凈工作臺實驗區(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：布風器出風口方向上的速度過高，在0.35 m/s以上，在不受設備阻擋的情況下，其隨水平射流速度逐漸減小，最終下降到0.2 m/s以下；潔凈工作臺實驗區(qū)域整體風速低于0.15m/s，對實驗進行沒有影響。

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

圖5 夏季工況速度分布

4.2 冬季設計工況

圖 6a）顯示了冬季工況下溫控實驗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；布風器出口附近的溫度場溫度較高，在29℃～30℃范圍內(nèi)；兩側(cè)實驗桌面布置電腦主機區(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。

冬季工況下溫控實驗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，由于采用“側(cè)送上回”的方式，送風在底部出現(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。潔凈工作臺實驗區(qū)域流場的風速低于0.15 m/s，滿足實驗不受風速影響的要求；除布風器出口風速過高在0.35 m/s以上，其他區(qū)域風速整體都在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：送風口與回風口為高速區(qū)域，風速在0.35 m/s以上；潔凈工作臺實驗區(qū)的大部分區(qū)域風速在0.15 m/s以下。

圖7 冬季工況速度分布

5 結(jié)論

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