船舶低溫實(shí)驗(yàn)室孔板送風(fēng)設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬

陳豪 郭磊 溫添

摘? 要：某極地科考船舶上具有如低溫實(shí)驗(yàn)室等對(duì)溫濕度有特殊要求的艙室，其艙室空氣環(huán)境設(shè)計(jì)面臨很大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)送風(fēng)方式難以滿足需求，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮采用孔板送風(fēng)以達(dá)到設(shè)計(jì)溫度要求。文章針對(duì)孔板送風(fēng)末端在船舶領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范的缺乏等問題，在設(shè)計(jì)初始階段采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行氣流組織模擬分析和優(yōu)化應(yīng)用研究。結(jié)果表明采用全面孔板送風(fēng)形式可使該低溫實(shí)驗(yàn)室溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。文章研究結(jié)果對(duì)船舶孔板送風(fēng)末端的應(yīng)用研究具有參考借鑒意義。

關(guān)鍵詞：船舶艙室;低溫實(shí)驗(yàn)室;孔板送風(fēng);計(jì)算流體力學(xué);氣流組織

中圖分類號(hào)：U664? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）24-0007-04

Abstract： The cabin of a polar scientific research ship with special requirements for temperature and humidity， such as low temperature laboratory， is facing great challenges in its cabin air environment design. Traditional air supply methods are difficult to meet the requirements. Orifice plate air supply method is considered in the design to meet the requirements. In view of the lack of experience and design specifications in the application of orifice plate air supply method in ship design field， computational fluid dynamics （CFD） method was used to simulate and optimize the air distribution in the initial stage of design. The results show that the temperature of the low temperature laboratory can meet the design requirements by adopting the full orifice plate air supply method. The research results of this paper can be used for reference in the application research of the orifice end of the ship.

Keywords： ship cabin; low temperature laboratory; orifice plate air supply; computational fluid dynamics （CFD）; air distribution

引言

船舶艙室空氣環(huán)境設(shè)計(jì)是現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)和建造中的一個(gè)重要方面，船舶艙室往往具有層高較低、空間封閉和人員密集等特點(diǎn)，而極地科考船還對(duì)空氣環(huán)境有許多特殊要求，其空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨著更大的挑戰(zhàn)。

孔板式空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)是目前廣泛應(yīng)用于國外豪華郵輪和客滾船公共區(qū)域的空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)其氣流組織形式，孔板式送風(fēng)又被稱為“雨降式”送風(fēng)，空調(diào)房間氣流組織形式主要取決于送風(fēng)射流，而送風(fēng)口形式將直接影響氣流的混合程度、出口方向與氣流斷面形狀，對(duì)送風(fēng)射流具有重要影響，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，需要根據(jù)空調(diào)精度、氣流形式、送風(fēng)口安裝位置以及室內(nèi)裝修的風(fēng)格配合等方面的要求，選用不同形式的送風(fēng)口，送風(fēng)口的種類繁多，按送出氣流形式一般可分為輻射送風(fēng)口、軸向送風(fēng)口、線性送風(fēng)口和面型送風(fēng)口。對(duì)于科考船上的某些艙室，如低溫實(shí)驗(yàn)室，由于受總體布置和結(jié)構(gòu)限制，凈高較低，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)風(fēng)量會(huì)較大，為了獲得較快的速度衰減，使艙室內(nèi)獲得較均勻的流型，有效降低處所內(nèi)的噪聲，因此采用孔板作為空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的末端。當(dāng)合理選擇孔板出口風(fēng)速和孔板形式時(shí)，還能防止室內(nèi)灰塵的飛揚(yáng)而滿足更高的潔凈度要求。除此之外，經(jīng)過合理的天花板布置以及裝飾，可以讓室內(nèi)的人員觀察不到明顯的送風(fēng)末端風(fēng)口，不會(huì)影響該艙室整體布局的美觀。

本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)采用孔板送風(fēng)系統(tǒng)的低溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氣流組織模擬分析和優(yōu)化應(yīng)用研究，驗(yàn)證采用孔板送風(fēng)時(shí)低溫實(shí)驗(yàn)室溫度分布的均勻性，為該低溫實(shí)驗(yàn)室的最終設(shè)計(jì)方案提供參考。

1 理論和方法

1.1 數(shù)值計(jì)算方法

本文數(shù)值模擬對(duì)湍流的處理采用基于雷諾時(shí)均方程的k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是目前工程中使用最廣泛的湍流模型，標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型引入兩個(gè)額外的輸運(yùn)方程來描述湍流動(dòng)能k和耗散率ε，k-ε方程與動(dòng)量方程、能量方程、連續(xù)性方程一起構(gòu)成了室內(nèi)空氣流動(dòng)的控制方程。

流體流動(dòng)遵循的控制方程可以用以下通用形式來表示[1]：

（1）

式中各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對(duì)流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)，其中，u為速度矢量;?為通用變量，分別表示動(dòng)量方程中的速度u，能量方程中的溫度T，體積分?jǐn)?shù)方程中的C，湍流動(dòng)能方程中的湍流動(dòng)能K和湍流耗散方程中的耗散率ε;Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)，S為廣義源項(xiàng)。

通過基于結(jié)構(gòu)化自適應(yīng)網(wǎng)格的有限體積法來求解雷諾時(shí)均方程，通過網(wǎng)格局部優(yōu)化技術(shù)來適應(yīng)物體邊界，采用雙尺度壁面函數(shù)模型來解決邊界層問題，空間上采用二階精度的差分格式，其中對(duì)流項(xiàng)采用迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，時(shí)間上采用隱式歐拉格式，采用類SIMPLE方法求解速度壓力耦合方程。

1.2 孔板送風(fēng)設(shè)計(jì)方法

參考相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)[2]，總結(jié)給出孔板送風(fēng)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟。

（1）確定孔板送風(fēng)的形式，是全面孔板還是局部孔板。

（2）確定孔板送風(fēng)口的風(fēng)速vS（m/s），可按下式進(jìn)行計(jì)算。

低溫實(shí)驗(yàn)室圖紙如圖1所示。低溫實(shí)驗(yàn)室為上送下回的送風(fēng)形式，上方為全面孔板，下方為四個(gè)回風(fēng)格柵;天花板處孔板與回風(fēng)道通過夾層隔板分隔，孔板與艙室絕熱層之間形成了一個(gè)靜壓箱，根據(jù)負(fù)荷計(jì)算艙室送風(fēng)量為3000m3/h，由式（12）算得靜壓箱高度應(yīng)為350mm，但受船舶空間限制，靜壓箱高度為170mm，因此更有必要進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，確保方案可行性;研究表明，風(fēng)管伸入靜壓箱時(shí)送風(fēng)效果比靜壓箱側(cè)送風(fēng)更好[3]，同時(shí)由于船體結(jié)構(gòu)限制，六個(gè)送風(fēng)頭只能布置在艙室天花板中間區(qū)域。根據(jù)圖紙建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。

3 數(shù)值模擬

低溫實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)條件為溫度在2-10°C范圍內(nèi)可控，且艙室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度之差不超過±1°C，空調(diào)送風(fēng)溫度為2-10°C可調(diào)，本文進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)采用的送風(fēng)溫度為2°C。目前研究者針對(duì)孔板送風(fēng)的數(shù)值模擬，一般不直接對(duì)實(shí)際孔板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而是采用各種邊界條件處理對(duì)孔板進(jìn)行簡化，這樣得到的結(jié)果與真實(shí)的孔板勢(shì)必存在差異，而本文將針對(duì)實(shí)際的孔板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，孔板局部網(wǎng)格如圖3所示。z=1m處速度和溫度云圖如圖4、5所示。

圖4為速度云圖，艙室內(nèi)工作區(qū)域最大風(fēng)速為0.35m/s，采用孔板式送風(fēng)時(shí)可以確保較低的風(fēng)速，保證艙室內(nèi)工作區(qū)域風(fēng)速小于0.25m/s，人員無明顯吹風(fēng)感，滿足人體舒適度中關(guān)于空氣流速的要求。圖5為溫度云圖，艙室內(nèi)工作區(qū)域平均溫度為2.6°C，最低溫度為2.1°C，最高溫度為3.3°C，由圖可以看出，只有人體附近溫度較高，可以認(rèn)為在工作區(qū)域內(nèi)滿足了艙室內(nèi)溫度與設(shè)定溫度之差不超過±1°C的要求。

選取距橫向和縱向?qū)嶒?yàn)臺(tái)中線100mm高處（橫向：y=2785mm，z=1000mm;縱向：x=5585，z=1000mm，如圖6），給出相應(yīng)的溫度和速度隨位置變化曲線，如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作區(qū)域溫度和速度變化趨勢(shì)，除壁面處由于數(shù)值計(jì)算所需設(shè)置了表面熱源造成壁面附近溫度較高，實(shí)驗(yàn)臺(tái)上方隨位置變化的溫差保持在0.3°C以內(nèi)，橫向?qū)嶒?yàn)臺(tái)上方氣流速度<0.3m/s，縱向?qū)嶒?yàn)臺(tái)氣流速度<0.22m/s，實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作區(qū)域的溫度和速度都保持在理想范圍內(nèi)，滿足了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某極地科考船舶低溫實(shí)驗(yàn)室孔板送風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)方法介紹和數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明孔板送風(fēng)系統(tǒng)使艙室內(nèi)平均氣流速度較低、溫度分布均勻，滿足了對(duì)流速、溫度要求較高的低溫實(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)要求;

后續(xù)可針對(duì)以下方面進(jìn)行深入研究：

（1）研究孔板厚度、孔徑、孔間距對(duì)孔板送風(fēng)效果的影響。

（2）結(jié)合數(shù)值計(jì)算和實(shí)際測(cè)量結(jié)果對(duì)比分析。

通過本文的研究表明，孔板送風(fēng)系統(tǒng)可以滿足低溫實(shí)驗(yàn)室等對(duì)流速、溫度要求較高艙室的設(shè)計(jì)要求。本文結(jié)果可對(duì)后續(xù)的船舶艙室孔板式送風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)用研究提供參考和借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1989.

[2]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3]劉曉宇，劉冬，等.恒溫恒濕立體倉庫孔板送風(fēng)的影響因素及參數(shù)優(yōu)化[J].能源技術(shù)，2008，29（6）：381-385.