南極磷蝦船貨艙流場和溫度場數值模擬

王 朋

（上海和創船舶工程有限公司，上海 200126）

南極磷蝦資源具有巨大的開發和利用潛力，積極參與南極磷蝦漁業開發，可有效促進我國遠洋漁業的發展[1]。綜合考慮經濟節能等問題，建議采用較低的溫度（-30 ℃及以下）凍藏可以最大限度保持南極磷蝦的品質[2]。我國極地漁業起步較晚，南極磷蝦的加工能力與質量不高成為我國南極磷蝦捕撈的一大瓶頸[3]。南極磷蝦船貨艙的快速冷凍能力在南極磷蝦的加工流程中顯得極為重要。現階段南極磷蝦船貨艙內氣流布局存在不合理，造成貨艙溫度場不均勻、耗能高等缺陷。一般采用直接試驗的方法測量貨艙內部冷空氣流場數據，再根據測量數據來改進貨艙流場設計。計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD） 是基于計算機技術的一種數值計算工具，用于求解流體的流動和傳熱問題[4]。近年來，隨著計算機性能的提升，CFD 應用在冷庫溫度場的研究技術越來越成熟，CFD 具有諸多優勢，相對試驗而言所耗費的建造成本和驗證周期得到極大的縮短[5-6]。20世紀70 年代CFD 首先出現于美國，而實際進行較廣泛的商業使用則是在近幾年。隨著CFD 學科的蓬勃發展，CFD 商業軟件也應運而生。目前CFD 軟件群已經作為處理各種復雜流體流動和傳熱等問題的強大軟件，成功運用在航天設計、汽車設計和船舶設計等諸多工程技術科研領域。在CFD 軟件的基礎上設計的Fluent軟件，從使用者的需求視角考慮，用以應對不同類型的復雜流動問題，Fluent 軟件群使用了與眾不同的技術和方法，以便于在特定的技術應用領域中使計算速度、安全性和準確度等方面獲得最佳結合，以便于高質量地處理各個方面的復雜流體計算問題。CFD 模擬方法可有效分析船舶艙室內熱環境[7]，用于了解船舶貨艙的通風情況。

CFD 是建立在經典流體動力學與數值計算方法基礎之上的一門新型獨立學科，其基本原理就是對流體流動的控制方程進行數值解析，得出流場在連續區域上的離散分布，從而近似模擬流體流動情況。數值模擬通常包含以下幾個主要環節：建立數學物理模型、數值算法求解、結果可視化[8]。目前，CFD 數值模擬已被國內外學者廣泛運用到冷庫和船舶貨艙流場的研究。2007 年，安毓輝等[9]通過對裝載風冷式冷藏集裝箱貨艙內氣流的CFD 模擬計算和實例驗證，了解貨艙內氣流流場的變化情況，對送風和抽風兩種模式在貨艙溫度場、速度場、氣流分布不均勻系數、排熱效率和通風阻力等各方面進行了比較分析，提出了優化設計的建議。2009 年，孔丁峰等[10]對集裝箱船貨艙內氣流的速度場進行數值模擬，提出了優化通風量的建議。2010 年，胡耀華等[11]以一間裝配式冷庫為研究對象，用CFD 技術模擬了冷風機出風口布置和貨物的堆放方式對冷庫溫度場和流場的影響，并提出對冷風機的安裝位置和貨物的擺放方式的優化建議。同年，HO S H 等[12]建立某冷藏庫的三維模型與等效的二維模型，對其內部氣流及傳熱等進行數值模擬，研究發現，通過使用更高的吹風速度或將冷卻裝置放置在更低、更靠近產品包裝陣列的位置，可以實現制冷空間更好的冷卻效率和溫度均勻性。2011 年，鐘曉暉等[13]建立一個小型冷庫模型，用CFD 仿真技術模擬了冷庫內部啟動機組遇冷下庫內流場和溫度場，提出風速越大，預冷效果越好。2013 年，AKDEMIR S 等[14]建立了不同冷庫的CFD 模型，對比后發現有制冷空調系統的冷庫流場分布比較好。2020 年，黃海嘯等[15]以某型滿足ABSIRCC-SP 符號冷藏集裝箱船的貨艙通風系統為研究對象，運用CFD 方法進行通風系統分析，可以清晰地了解流場分布、通風阻力和風量分配等信息，以此評估通風方案的優劣，并指導優化設計。2021 年，馬志艷等[16]以吊頂式小型冷庫為研究對象，對冷庫預冷時風機的不同擺放位置下庫內溫度場的降溫特性、流場的流動曲線進行深入研究，模擬實驗揭示了風機不同擺放位置下此小型冷庫預冷的變化狀態，并提出風機與門相對布置最優。

通過上述綜述可以發現，國內學者對南極磷蝦船貨艙流場的研究相對較淺且缺乏比較系統的實驗論證。國外因南極磷蝦船技術封鎖，大多研究對象為冷庫，針對南極磷蝦船貨艙流場的數值模擬基本沒有公開的參考文獻。南極磷蝦大多采用船上低溫運輸，然而，在儲藏、流通過程中，由冷凍儲藏設備故障導致冷凍溫度變化的情況并不少見[17]。由此可見，一個可靠的南極磷蝦船冷凍貨艙在南極磷蝦的儲藏和加工環節中顯得尤為重要。為設計合理的南極磷蝦船貨艙流場，基于國內外現有的研究成果，本文主要以南極磷蝦船冷凍貨艙為研究目標，此冷凍艙共有兩個設計亮點：①將盤管設置在冷風機的出口處，并在冷風機室的部分位置設置回風格柵；②在貨艙地板表層設有很多與通風出口相通的小孔。采用CFD 軟件對該貨艙的流場、溫度場進行數值模擬，根據模擬結果，找出貨艙通風較差的位置，通過調整該位置的擋風板和通風入口面積對貨艙進行優化，并進行實體模型驗證實驗，驗證貨艙管路鋪設方案的可行性，為后續南極磷蝦船貨艙流場設計優化提供參考。

1 研究對象和目標

1.1 艙室模型

根據實際工程圖紙整理的南極磷蝦船貨艙的各參數如表1 所示，根據貨艙尺寸，在Solidworks 2018 軟件中建立貨艙幾何模型，其中包括貨艙艙壁、擋風條、通風地板、擋風板、立柱和管路等結構，如圖1 所示。貨艙上下空間通過通風地板上的若干通風小孔上下貫通，建立貨艙地板下方擋風板布置和管路鋪設模型如圖2 所示，貨艙空艙時風機冷空氣流動示意圖如圖3 所示。

圖1 貨艙模型

圖2 貨艙通風地板下方擋風板布置和管路鋪設模型

圖3 空艙冷空氣流動示意圖

表1 貨艙參數表

1.2 問題分析

現階段我國所使用的南極磷蝦船大多為國外的二手船[17]。我國南極磷蝦產業起步晚，科研主體小，基礎研究薄弱，尚未掌握船上加工的核心技術[18]。南極磷蝦船貨艙經常出現由于流場布置不合理，導致溫度場不均勻、耗能高等問題。國內外在南極磷蝦船設計之初針對貨艙流場完整的數值模擬成果較少。因此，本文主要研究了南極磷蝦船貨艙設計之初，其管路鋪設、擋風板設計位置，以及通風入口面積對貨艙流場的影響，并通過優化擋風板設計位置和通風入口面積解決了因管路遮擋導致的貨艙流場設計不合理的難題。

2 計算模型的建立

2.1 數學模型

本研究主要是基于流場分析，“RNG k-ε”湍流模型在空調、船舶通風流場分析等工程中應用較多，所以本研究采用“RNG k-ε”湍流模型，并做出以下假設。

（1）選擇流體介質屬性為空氣，比熱為1 kJ/（kg·℃），導熱系數為0.023 W/（m·℃），密度為1.29 kg/m3。

（2）貨艙內空氣馬赫數較低，其密度變化也很低，所以默認空氣在變化的過程中，密度基本不變，符合Boussinesq 假設。

（3）通風入口速度簡化為均勻出風。

在以上假設的前提下，在直角坐標系下聯立流體力學三大方程和“k-ε”兩方程作為計算方程組。其中，動量守恒方程見式（1）。

式中，ρ 為流體密度；t 為時間；v 為速度矢量；? 為通用變量（如速度、溫度等）；Γ 為廣義擴散系數；S 為廣義源項。

質量守恒方程見式（2）。

式中，ρ 為流體密度；t 為時間；u 為速度矢量。采用有限體積法對上述控制方程離散求解。本文在傳熱方面主要考慮牛頓冷卻定律，其公式如下。

式中，q 為熱流密度；h 為物質的對流傳熱系數；Φ 為傳熱功率（單位時間內通過傳熱面的熱量）；A 為傳熱面積；t 為時間。

2.2 網格劃分

該貨艙網格總數量為7.81 × 106，先將貨艙整個空間分為3 個部分（圖4）。在ICEM CFD 軟件中定義貨艙每個部分的網格大小，自動生成四面體網格；對每個空間內的網格進行單獨劃分，貨艙空間、貨艙通風地板上方和下方空間，以及通風小孔的網格分布情況如圖4 至圖7 所示。其中通風地板上方網格總數為5.43×106，通風地板下方網格總數為

圖4 貨艙空間分割圖

圖5 通風地板上方網格分布圖

圖6 通風地板下方網格分布圖

圖7 通風小孔網格分布圖

2.3 邊界條件設置

（1）將冷空氣入口設為速度入口邊界，速度大小為空氣流量與出口面積的比值，貨艙流量為96 000 m3/h。回風口設置為壓力出口邊界，二者溫度設置為-35 ℃。合并兩個相鄰空間的面，設為interface，空氣能夠自由穿過。

（2）近壁處理引入標準壁函數，壁面條件采用對流熱傳導邊界條件，壁面材料按照實際采用的材料輸入，各艙壁熱力學參數如表2 所示。關于熱力學參數，如果實際溫差大于所給工況，在速度場不變情況下，艙壁傳熱量增加，冷卻速度受影響，放緩速度隨溫差改變程度而變。

表2 貨艙各壁面的熱力學參數

2.4 網格無關性驗證

為了排除網格密度對貨艙流場和溫度場計算結果的影響，對貨艙進行網格無關性驗證，3 組不同密度的網格分別命名為mesh-coarse、mesh-medium和mesh-fine，貨艙網格尺寸逐漸減小25%，對應網格數量分別為2.8 × 106、5.48 × 106和9.74 × 106。并在貨艙中任意設置4 個監測點，各監測點數據如表3 所示。2.12×106，通風地板開孔和遠端通風處網格總數為2.6×105。

從表3 數據可以看出，各監測點速度及溫度變化不大，表明上述劃分的網格密度并不會影響貨艙內空氣流場和溫度場的計算結果。

表3 各監測點數據

3 數值模擬與優化

3.1 通風地板上方空間模擬結果

首先將上節的計算模型導入Fluent 軟件，用SIMPLE 算法對壓力和速度進行耦合。采用標準初始化方法，進行計算，直到計算收斂后，模擬結束，處理結果。本次計算主要針對空艙情況，要求空艙狀態下貨艙的溫度能達到設計溫度-35 ℃。先對貨艙地板上方空間H =3.50 m（0.5 倍貨艙高度）剖面和船艙中縱剖面的流場和溫度場進行數值模擬，以H=3.50 m（0.5 倍貨艙高度）剖面為例，如圖8 所示。

圖8 H=3.50 m（0.5 倍貨艙高度）剖面（從左往右依次為速度場、溫度場。）

從圖8 可看出貨艙上部空間部分區域存在送風死角，溫度場大體趨于均勻，由于冷空氣入口在貨艙地板下方，所以重點分析通風地板下方的流場和溫度場。

3.2 通風地板下方空間優化前后對比

根據計算結果對通風地板下方送風死角和溫度場較高的位置進行調整，調整方式有兩種：①增加通風入口面積，調整入口通風速度，其中送風速度在整個入口內均勻送風；②調整地板下方擋風板，使冷空氣能夠流入低速區域，通風入口無法吹過的區域，建立擋板引導冷空氣流過。通風地板下方調整前后模型和優化前后的流場和溫度場如圖9 至圖11 所示。

圖9 修改前后模型（左為修改前，右為修改后。）

圖10 流場分布（左為修改前，右為修改后。）

圖11 溫度場分布（左為修改前，右為修改后。）

由圖9 至圖11 計算結果可以看出，調整后，通風地板下方空氣的速度場和溫度場有了很大的改進，通風入口的增加，使擋風板間的風速下降，除個別狹窄區域，風速基本下降到5 m/s。同時，舷側管道較多的區域進入了大量的冷空氣，管道縫隙內和擋板撤掉位置流場得到了很好的改善。流場的改進帶動溫度場的優化，未優化前，管路遮擋的區域溫度比其他區域高2～3 ℃，優化后，該區域溫度與其他位置相同。結果表明此次調整起到了很好的優化作用。

3.3 優化后貨艙關鍵平面數值模擬

經過上節通風地板下擋風板布置和通風入口面積的優化工作，貨艙內的空氣流動和溫度場分布變得更為合理。本節給出優化后貨艙內關鍵平面的壓力場、速度場和溫度場信息。其中貨艙所觀察的剖面為H=0.18 m（地板下管路軸線高度）、H=3.50 m（0.5 倍貨艙高度）、船艙中縱剖面和地板開孔中間剖面。如圖12 和圖13 所示，剖面圖以H =0.18 m剖面與H=3.50 m 剖面為例。

由圖12 和圖13 可以看出：

圖12 H=0.18 m（地板下管路軸線H）剖面結果（從上往下依次為壓力場、速度場、溫度場。）

圖13 H=3.50 m（地板下管路軸線H）剖面結果（從上往下依次為壓力場、速度場、溫度場。）

（1）由于整個貨艙內的空間由通風小孔上下連通，因此貨艙內的壓力變化并不大，整體氣壓都接近大氣壓強；貨艙地板下方雖然結構復雜，壓強分布稍有不同，但相差很小，差值均在30 Pa 以內。

（2）貨艙速度場經過優化，通風地板下空氣流動比較均勻，貨艙風速均控制在要求范圍內；通風地板上貨艙風速較為均勻，通風地板開孔內風速在4 m/s 左右。

（3）貨艙溫度場經過優化，貨艙溫度能達到冷空氣設計溫度；通風地板上方空間溫度較為平均。

3.4 溫度場云圖單位換算

本計算中溫度場的云紋圖數值均采用開爾文溫度值，其與攝氏溫度的數值有如下轉換關系。

式中，T 表示開爾文溫度；t 表示攝氏度。

3.5 實驗值驗證

為驗證貨艙空艙時冷凍能力的可靠性，在出風口處布置測點，編號為TS1～TS4，在艙內中部上下不同位置布置測點，編號為TS5～TS12，如圖14 所示，進行實測驗證。并給出貨艙在南極磷蝦船中的實際位置，如圖15 所示。

圖14 TS 監控點示意圖

圖15 貨艙實際位置圖

通過實驗得出貨艙8 月某時刻實測溫度如表4所示。根據表4 數據可知貨艙實際達到穩定設計溫度（-35 ℃）的時間大約在23 ∶28。再通過軟件模擬計算得出該時刻各測點達到的模擬溫度如表5 所示。表4 和表5 中的結果表明最終貨艙達到穩定溫度時的模擬數據與實測數據吻合良好，均符合設計要求。

表4 貨艙8 月21—22 日截取時段實測數據表單位：℃

表5 貨艙23：28 時刻各測點模擬數據表單位：℃

4 貨艙滿艙流動模擬

4.1 滿艙冷空氣流動結果

對貨艙滿艙流動進行數值模擬，貨艙滿艙模型如圖16 所示，為模擬最不利的情況，找出貨艙中冷空氣流動相對較差的位置，對0.5 倍貨艙高度位置截面處遠風端、舷側和近風端流動情況進行分析，發現舷側位置的通風情況比較差，如圖17 所示。近通風孔艙壁處相對流速較高，達到3～5 m/s，該處通風較好，同時近端艙壁溫度較低，傳熱較少，因此該位置貨物容易冷藏；遠端雖然相對風速較低，但也能保持2～4 m/s 的風速，且通風面積大，因此保持了較高的流量；舷側位置相對風速稍低，舷側風速為1～3 m/s。

圖16 貨艙滿艙模型

圖17 貨艙滿載后舷側流場分布圖

4.2 貨艙滿艙冷卻過程分析

為分析南極磷蝦船貨艙的冷凍能力，挑選4.1節中通風最為不利的位置，對滿艙情況下貨物的冷卻過程進行CFD 模擬，貨艙由-33 ℃冷卻到-35 ℃，艙內放入凍蝦大貨包，其比熱為1.84 kJ/（kg·℃），導熱系數為1.67 W/（m·℃）。進行滿艙模擬時，凍蝦大貨包堆放在單一貨物最上方的邊緣位置。對貨艙凍蝦大貨包由-33 ℃冷卻到-35 ℃的冷卻過程進行分析，凍蝦大貨包分布位置和冷卻過程如圖18所示，圖中分別展示0 min、20 min、40 min 和60 min時的凍蝦大貨包溫度場的變化，觀察截面為凍蝦大貨包1/2 高度處的水平剖面。通過CFD 模擬，得到了南極磷蝦船貨艙的冷卻過程，圖18 中的4 個紅色方塊為-33 ℃的凍蝦標準尺寸大貨包，其冷卻假定僅依靠外部和頂部兩個面來進行熱傳遞，從圖中可以看出其冷卻過程是由外向內逐漸變化。當大貨包進入貨艙20 min 后，整體溫度已經接近-35 ℃。1 h 后，大貨包溫度已經達到貨艙設計溫度。從最不利情況下的凍蝦大貨包的冷卻過程可以看出，南極磷蝦船貨艙的冷凍能力是可靠的。

圖18 貨艙凍蝦大貨包冷卻過程

5 結 論

本文以南極磷蝦船貨艙為研究對象，通過對比擋風板設計位置和通風面積優化前后的貨艙空艙冷凍效果，解決了貨艙管路遮擋問題，并綜合考慮在通風相對較差的位置對凍蝦大貨包進行冷卻過程的模擬，得出以下幾個結論。

（1）南極磷蝦船貨艙在未改進之前，模擬結果表明貨艙通風地板下方的確存在部分位置的冷空氣流場分布不合理，管路遮擋的區域溫度比其他區域高2～3 ℃。通過對該位置擋風板和通風面積進行調整，貨艙的流場和溫度場趨于穩定均勻，除個別狹窄區域，風速基本下降到5 m/s，貨艙的冷卻溫度能在規定時間內達到設計溫度-35 ℃。對于由管路遮擋導致船舶貨艙內流場不穩定的問題的解決，研究證明該優化方案是有效的。同時，該貨艙的管路鋪設方案經過設計參數的優化后也是可行的，對后續南極磷蝦船貨艙流場的升級優化提供一定的參考。

（2）當大貨包進入貨艙20 min 后，整體溫度已經接近-35 ℃。1 h 后，大貨包溫度已經達到貨艙設計溫度。從最不利位置的冷卻過程可以看出，貨艙冷凍能力是可靠的。美中不足的是缺乏磷蝦大貨包實驗樣本，本文在滿艙貨物冷卻過程的分析中缺少模擬結果與實際實驗結果的對比分析，這將在后面的工作中進一步研究。

（3）傳統測流場的方法誤差大，耗時多，運用CFD 模擬技術彌補了傳統試驗方法的不足，對于解決南極磷蝦船貨艙流場設計難題具有實質性意義。國內外針對南極磷蝦船貨艙流場系統的數值模擬比較少，本文的模擬思路主要是通過尋找貨艙的流動差（流場差），從而發現貨艙溫度場不均勻處，輻射等影響因素對南極磷蝦船貨艙溫度場的影響有待進一步研究。本文所用方法和思路可為后續學者優化南極磷蝦船貨艙流場設計提供一定的參考。