船舶空調通風系統減振降噪分析

徐成

摘要：噪聲作為環境污染影響較為嚴重的內容之一，對人們的生活和工作都產生了極深影響。尤其是對船員來說，空調通風系統所產生的噪音，直接影響了他們的日常工作和生活，因此屬于當前船舶空調通風系統設計研究關注的焦點。本文結合空調通風系統的計算流體動力學手段和基于知識組件的通風系統原理圖，對實際船舶空調的通風系統進行了深入研究，由此入手提出有效的減振降噪策略。

關鍵詞：船舶;空調;通風系統;減振降噪;流體動力學;知識組件

中圖分類號：U66 文獻標識碼：A?? 文章編號：1006—7973（2022）03-0110-03

在當前船舶空調通風系統研究分析中，不管是計算流體動力學（CFD）手段還是基于知識組建的通風系統原理圖，都在船舶空調通風系統設計中展現出了積極作用，前者主要用來分析系統設計的性能，而后者可以直觀呈現整體系統的原理圖。由于船舶設計是一項循環迭代的過程，會隨著設計階段的不斷深化，整體系統所包含的信息數量會越來越多，設備安裝和管路放樣也會變得更加準確。因此，要想對整體系統進行減振降噪處理，必須要根據系統原理投入更多的研究時間和精力。

1系統模型推導

1.1基于知識組件的系統原理分析

結合如下圖1所示的系統原理繪制模型分析可知，設計人員要優先考慮設備的各項信息，且所構建的數字化原理圖包含設備圖形符號及屬性信息，由此形成三元組：

在上述公式中， A={A1，A2…Am}代表原理圖中艙室的區域集合， m 代表艙室的數量; D={D1，D2…Dn}代表設備集合，n代表設備數量; P={P1，P2…Pn}代表社會屬性。

從本質上講，知識組件的基本屬性是利用集合來表現幾何與功能，具體二元組如下所示：

在上述公式中， Pg 代表知識組件的幾何屬性， Pb 代表知識組件的功能屬性。

從位置屬性來看，知識組件的位置關系屬性集合可以用來展現實例化知識組件所在區域的坐標屬性，具體四元組如下所示：

在上述公式中， La 代表知識組件實例化時所在區域的編號， Ld 代表所在地區的甲板編號， Lc 代表所在艙室的編號，Lp 代表坐標信息。

在鄰接屬性中，這一屬性集合可以用來表現實例化的知識組件和原理圖其他設備之間的鄰接關系，具體二元組如下所示：

在上述公式中，Tcid 代表鄰接設備的分類編號， Ta 代表鄰接的具體方式。

在接口屬性分析中，相應集合主要用來表現系統、零件之間的接口數據信息，具體二元組如下所示：

在上述公式中，Ii 代表其他系統和零件之間的輸入接口信息，Io 代表輸出的接口信息。

根據上述分析可以將船舶空調通風系統分成三部分內容，具體結果如下圖2所示：

首先，系統是指根據規定要求對船舶進行多級劃分;其次，區域 i 是指船舶內部經水密隔艙劃分的具體范圍，具體表示為：

在上述公式中，Wwi代表水密區編號是 i 的各項信息，Wdi代表水密區所對應的甲板層集合， Wci代表水密區對應艙室集合。最后組件是根據標準要求對船艙進行劃分的某類具體設備，具體形式是類庫文件，實際公式為：

在上述公式中，C_IDi 代表組件分類的標識， E_IDi 代表組件實例化，CPi 代表主見屬性的信息集合。

結合上圖進行數字化的總原理圖設計，根據標準化接口完成信息融合與設計，相應的船舶空調通風系統的數據交換和傳遞模型，如下圖3所示：

1.2 CFD 方法

簡單來講，利用 CFD 技術對船舶空調的通風系統進行研究，擁有嚴謹的理論依據，大部分模擬計算的實例，經過實驗室驗證都具有有效性。常見的計算通風量公式為：

在上述公式中， L 代表風量，單位是 m3/s;Q 代表發熱量，具體單位是 kW; p 代表空氣比重，具體數值為1.13kg/me;Cp代表空氣比熱，具體數值為1.01kJ/ kg° C;△ T 代表進出空氣的溫差，本文研究設定為10° C。同時，利用室內零方差模型根據室內空氣自然對流與混合對流的直接數值模擬結果提出湍流模型，實際模型要結合房間內部非等溫流動 Rayleigh 數值范圍進行分析，最終結果提出湍流渦粘性系數正比于壁面最近的距離。實際計算湍流的粘性系數公式為：

μ1=0.03874PνL

在上述公式中， v 代表局部的速度數量， L 代表和最近墻面之間的距離。依據研究流傳熱系數來明確邊界層的傳熱情況，具體公式如下所示：

在上述公式中，Preff 代表有效普朗特數;△ xi 代表臨近墻面柵格之間的距離，?eff?? ?代表有效粘性系數。

在研究熱排效率時，可以用來評估變壓器室通風系統的排熱水平，具體公式如下所示：

在上述公式中， ET 代表通風系統的牌熱效率， Te 代表實際排風溫度， Tz 代表整體平均溫度， T0代表實際進風溫度。具體溫度變化結果如下表1所示：

2船舶空調通風系統出現噪聲的主要原因

結合上述分析發現，船舶空調通風系統產生噪音的因素有很多，而要想進行減振降噪分析，必須要針對影響較大的多個噪聲元進行有效的處理，只要條件允許，噪聲污染完全可以消除。需要注意的是，中央空調系統的噪聲控制指標并不能一概而論，需要根據具體應用要求和控制標準進行有效控制。

從實踐角度來看，噪聲的原因涉及到以下幾點：第一，設計。不管是控制還是降低系統噪聲，都需要多學科和多專業的配合，因此設計人員要在掌握船舶結構、升學控制、管道設計等基本知識的基礎上，明確認識到整體系統設計的投入成本較高，要想真正實現控制噪音，必須要在設計之初融合各個方面的運行情況進行有效的減振降噪設計;第二，安裝。船舶居住區域的結構較為復雜，整體空間劃分大小不一致，所構建的營運環境存在多樣性，在安裝空調通風系統之前，很容易出現管道之間的碰撞現象，由此形成振動。受成本和空間等因素的限制，連接區域大都是選用應連接的方式進行處理，并沒有考慮減振降噪的具體要求。同時所選材料也會出現固定的噪聲頻譜特征，隨著實際運行時間的增加，通風系統必然會產生破洞、裂紋等現象;第三，管理。船舶空調所安裝的空調設備擁有獨立房間，通風管道會固定在天花板內部，但因為缺少完善的管理設計意識，致使內部空氣濾網沒有得到及時處理，供風口也沒有進行科學清潔，最終導致內部形成附加振動;第四，環境。船舶的運營環境存在多變性，因此要想真正實現空調通風系統的減振降噪處理，必須要結合實踐應用累積經驗在設計初期不斷探究，注重根據船員的日常需求構建舒適且安靜的居住環境。

3基于船舶空調通風系統減振降噪的設計分析

要想有效處理現階段布風器送風所產生的噪音，本文在研究中提出了全新的技術方案。這種低噪音的布風器，包含了出風管、進風管以及連通箱體，實際管口設計在箱體的一側，出風管設計在箱體底板上，箱體內部沒有消音保溫材料層，會和進風管的管口設計相對應的調節機構，其中還包含消音裝置。具體設計要點分為以下內容：

3.1科學調整進風量

調節機構可以對進風管的大小進行科學調整，運用調節手柄引導調節盤旋轉，同步帶動連桿旋轉，促使后端和連桿活動鉸接，連桿帶動調節桿后端按照前端和調節盤中心進行連線移動，以此保障連接在調節桿前端的擋板和進風管截面呈現遠離或靠近的狀態，以此讓進風管進入箱體進風腔內進行大小調整。具體設計分為以下內容：首先，船舶系統空調通風系統的調節機構涉及到手柄、擋板、調節感等內容;其次，手柄要連接在調節盤的中心區域;再次，要在調節盤中安裝處在直徑的連桿，其中后段處在非中心區域進行連接，前端和調節盤中心、進風管的軸向中心處在同一水平線中;最后調節感前端要和擋風刮的截面、連接擋板進行對應設計。

在完成上述設計后，利用調節機構對船舶空調的通風系統進行科學控制，可以集中管控進風管的進風數量，方便后續進行減振降噪處理。消音設備放在箱體中進行箱體分割，可以獲取出風腔、進風腔、進風通道。進風管和調節機構要放在進風腔中，箱體內壁的消音材料和裝置可以構成流線型的通風通道，大小等同于進風管的管徑，出風腔要連接出風管。

3.2具體的減振降噪處理

消音裝置與箱體內部的消音保溫材料之間可以構成流線型的進風通道，這樣進風腔在經過管道進行送風時，空氣受到壓縮與膨脹會抵抗因為噪音聲波影響而產生的速度變化，不管是裝置還是材料都具有阻尼作用，聲波會讓材料層中的吸聲材料出現振動，并在摩擦、黏滯阻力的影響下，將部分聲能轉變成熱能逐漸吸收，以此控制噪聲的繼續傳遞。同時，聲波經過消音裝置摩擦，可以讓部分聲能被損耗吸收，促使入射聲波幾乎不會受到影響，以此預防產生空氣物流現象，有效減少噪聲的出現。同時，要在消音裝置、出風腔、進風腔等連接區域設計成外圓弧結構，出風腔內壁拐角的消音保溫材料要呈現出圓弧結構，這樣不僅能提升送風流動的速度，還可以有效控制空氣渦流噪音的出現。

3.3延長應用壽命

布風器箱體材料可以選擇鍍鋅板，也可以利用鋁鋅板，后者的防腐性能達到前者的兩倍，實際耐腐性非常強，能有效延長布風器的應用時間。從實踐角度來看，要利用鍍鋅孔板將箱體分成彼此連接的各個區域，任意一側或兩邊都要安裝消音保溫材料層，實際通道大小要低于出風管和進風管的管徑。這種設計不僅能幫助船舶空調通風系統有效進行減振降噪處理，還可以進一步保障系統運行的安全性。

4結語

綜上所述，本文以知識組件為核心的空調通風系統原理圖，引用了 CFD 技術方法進行實證分析，結合具體問題提出了一種低噪音布風器。整體設計需要讓出風管和進風管與連通箱體有效連接，在箱體一側設計進風管，在箱體底板設計出風管，箱體內必要安裝消音保溫材料，箱體內部還要配備與管口一致的調節機構。同時，保障消音裝置和保溫材料之間構成流線型的進風通道大小要和管徑一致。這種減振降噪的設計方案，不僅能滿足進風出風的各項需求，還可以達到低噪音的運行要求，整體操作結構簡單，非常適合在船舶空調通風系統的末端應用。

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