船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪分析

徐成

摘要：噪聲作為環(huán)境污染影響較為嚴(yán)重的內(nèi)容之一，對人們的生活和工作都產(chǎn)生了極深影響。尤其是對船員來說，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音，直接影響了他們的日常工作和生活，因此屬于當(dāng)前船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究關(guān)注的焦點(diǎn)。本文結(jié)合空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的計(jì)算流體動力學(xué)手段和基于知識組件的通風(fēng)系統(tǒng)原理圖，對實(shí)際船舶空調(diào)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，由此入手提出有效的減振降噪策略。

關(guān)鍵詞：船舶;空調(diào);通風(fēng)系統(tǒng);減振降噪;流體動力學(xué);知識組件

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

在當(dāng)前船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)研究分析中，不管是計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）手段還是基于知識組建的通風(fēng)系統(tǒng)原理圖，都在船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出了積極作用，前者主要用來分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能，而后者可以直觀呈現(xiàn)整體系統(tǒng)的原理圖。由于船舶設(shè)計(jì)是一項(xiàng)循環(huán)迭代的過程，會隨著設(shè)計(jì)階段的不斷深化，整體系統(tǒng)所包含的信息數(shù)量會越來越多，設(shè)備安裝和管路放樣也會變得更加準(zhǔn)確。因此，要想對整體系統(tǒng)進(jìn)行減振降噪處理，必須要根據(jù)系統(tǒng)原理投入更多的研究時(shí)間和精力。

1系統(tǒng)模型推導(dǎo)

1.1基于知識組件的系統(tǒng)原理分析

結(jié)合如下圖1所示的系統(tǒng)原理繪制模型分析可知，設(shè)計(jì)人員要優(yōu)先考慮設(shè)備的各項(xiàng)信息，且所構(gòu)建的數(shù)字化原理圖包含設(shè)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(qū)域集合， m 代表艙室的數(shù)量; D={D1，D2…Dn}代表設(shè)備集合，n代表設(shè)備數(shù)量; P={P1，P2…Pn}代表社會屬性。

從本質(zhì)上講，知識組件的基本屬性是利用集合來表現(xiàn)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(guān)系屬性集合可以用來展現(xiàn)實(shí)例化知識組件所在區(qū)域的坐標(biāo)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(shí)例化時(shí)所在區(qū)域的編號， Ld 代表所在地區(qū)的甲板編號， Lc 代表所在艙室的編號，Lp 代表坐標(biāo)信息。

在鄰接屬性中，這一屬性集合可以用來表現(xiàn)實(shí)例化的知識組件和原理圖其他設(shè)備之間的鄰接關(guān)系，具體二元組如下所示：

在上述公式中，Tcid 代表鄰接設(shè)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(yīng)集合主要用來表現(xiàn)系統(tǒng)、零件之間的接口數(shù)據(jù)信息，具體二元組如下所示：

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

根據(jù)上述分析可以將船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)分成三部分內(nèi)容，具體結(jié)果如下圖2所示：

首先，系統(tǒng)是指根據(jù)規(guī)定要求對船舶進(jìn)行多級劃分;其次，區(qū)域 i 是指船舶內(nèi)部經(jīng)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(qū)編號是 i 的各項(xiàng)信息，Wdi代表水密區(qū)所對應(yīng)的甲板層集合， Wci代表水密區(qū)對應(yīng)艙室集合。最后組件是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求對船艙進(jìn)行劃分的某類具體設(shè)備，具體形式是類庫文件，實(shí)際公式為：

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

結(jié)合上圖進(jìn)行數(shù)字化的總原理圖設(shè)計(jì)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化接口完成信息融合與設(shè)計(jì)，相應(yīng)的船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shù)對船舶空調(diào)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行研究，擁有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撘罁?jù)，大部分模擬計(jì)算的實(shí)例，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證都具有有效性。常見的計(jì)算通風(fēng)量公式為：

在上述公式中， L 代表風(fēng)量，單位是 m3/s;Q 代表發(fā)熱量，具體單位是 kW; p 代表空氣比重，具體數(shù)值為1.13kg/me;Cp代表空氣比熱，具體數(shù)值為1.01kJ/ kg° C;△ T 代表進(jìn)出空氣的溫差，本文研究設(shè)定為10° C。同時(shí)，利用室內(nèi)零方差模型根據(jù)室內(nèi)空氣自然對流與混合對流的直接數(shù)值模擬結(jié)果提出湍流模型，實(shí)際模型要結(jié)合房間內(nèi)部非等溫流動 Rayleigh 數(shù)值范圍進(jìn)行分析，最終結(jié)果提出湍流渦粘性系數(shù)正比于壁面最近的距離。實(shí)際計(jì)算湍流的粘性系數(shù)公式為：

μ1=0.03874PνL

在上述公式中， v 代表局部的速度數(shù)量， L 代表和最近墻面之間的距離。依據(jù)研究流傳熱系數(shù)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?cái)?shù);△ xi 代表臨近墻面柵格之間的距離，?eff?? ?代表有效粘性系數(shù)。

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

在上述公式中， ET 代表通風(fēng)系統(tǒng)的牌熱效率， Te 代表實(shí)際排風(fēng)溫度， Tz 代表整體平均溫度， T0代表實(shí)際進(jìn)風(fēng)溫度。具體溫度變化結(jié)果如下表1所示：

2船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)出現(xiàn)噪聲的主要原因

結(jié)合上述分析發(fā)現(xiàn)，船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生噪音的因素有很多，而要想進(jìn)行減振降噪分析，必須要針對影響較大的多個(gè)噪聲元進(jìn)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(diào)系統(tǒng)的噪聲控制指標(biāo)并不能一概而論，需要根據(jù)具體應(yīng)用要求和控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效控制。

從實(shí)踐角度來看，噪聲的原因涉及到以下幾點(diǎn)：第一，設(shè)計(jì)。不管是控制還是降低系統(tǒng)噪聲，都需要多學(xué)科和多專業(yè)的配合，因此設(shè)計(jì)人員要在掌握船舶結(jié)構(gòu)、升學(xué)控制、管道設(shè)計(jì)等基本知識的基礎(chǔ)上，明確認(rèn)識到整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)的投入成本較高，要想真正實(shí)現(xiàn)控制噪音，必須要在設(shè)計(jì)之初融合各個(gè)方面的運(yùn)行情況進(jìn)行有效的減振降噪設(shè)計(jì);第二，安裝。船舶居住區(qū)域的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，整體空間劃分大小不一致，所構(gòu)建的營運(yùn)環(huán)境存在多樣性，在安裝空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)之前，很容易出現(xiàn)管道之間的碰撞現(xiàn)象，由此形成振動。受成本和空間等因素的限制，連接區(qū)域大都是選用應(yīng)連接的方式進(jìn)行處理，并沒有考慮減振降噪的具體要求。同時(shí)所選材料也會出現(xiàn)固定的噪聲頻譜特征，隨著實(shí)際運(yùn)行時(shí)間的增加，通風(fēng)系統(tǒng)必然會產(chǎn)生破洞、裂紋等現(xiàn)象;第三，管理。船舶空調(diào)所安裝的空調(diào)設(shè)備擁有獨(dú)立房間，通風(fēng)管道會固定在天花板內(nèi)部，但因?yàn)槿鄙偻晟频墓芾碓O(shè)計(jì)意識，致使內(nèi)部空氣濾網(wǎng)沒有得到及時(shí)處理，供風(fēng)口也沒有進(jìn)行科學(xué)清潔，最終導(dǎo)致內(nèi)部形成附加振動;第四，環(huán)境。船舶的運(yùn)營環(huán)境存在多變性，因此要想真正實(shí)現(xiàn)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的減振降噪處理，必須要結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用累積經(jīng)驗(yàn)在設(shè)計(jì)初期不斷探究，注重根據(jù)船員的日常需求構(gòu)建舒適且安靜的居住環(huán)境。

3基于船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)減振降噪的設(shè)計(jì)分析

要想有效處理現(xiàn)階段布風(fēng)器送風(fēng)所產(chǎn)生的噪音，本文在研究中提出了全新的技術(shù)方案。這種低噪音的布風(fēng)器，包含了出風(fēng)管、進(jìn)風(fēng)管以及連通箱體，實(shí)際管口設(shè)計(jì)在箱體的一側(cè)，出風(fēng)管設(shè)計(jì)在箱體底板上，箱體內(nèi)部沒有消音保溫材料層，會和進(jìn)風(fēng)管的管口設(shè)計(jì)相對應(yīng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中還包含消音裝置。具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)分為以下內(nèi)容：

3.1科學(xué)調(diào)整進(jìn)風(fēng)量

調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以對進(jìn)風(fēng)管的大小進(jìn)行科學(xué)調(diào)整，運(yùn)用調(diào)節(jié)手柄引導(dǎo)調(diào)節(jié)盤旋轉(zhuǎn)，同步帶動連桿旋轉(zhuǎn)，促使后端和連桿活動鉸接，連桿帶動調(diào)節(jié)桿后端按照前端和調(diào)節(jié)盤中心進(jìn)行連線移動，以此保障連接在調(diào)節(jié)桿前端的擋板和進(jìn)風(fēng)管截面呈現(xiàn)遠(yuǎn)離或靠近的狀態(tài)，以此讓進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入箱體進(jìn)風(fēng)腔內(nèi)進(jìn)行大小調(diào)整。具體設(shè)計(jì)分為以下內(nèi)容：首先，船舶系統(tǒng)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)涉及到手柄、擋板、調(diào)節(jié)感等內(nèi)容;其次，手柄要連接在調(diào)節(jié)盤的中心區(qū)域;再次，要在調(diào)節(jié)盤中安裝處在直徑的連桿，其中后段處在非中心區(qū)域進(jìn)行連接，前端和調(diào)節(jié)盤中心、進(jìn)風(fēng)管的軸向中心處在同一水平線中;最后調(diào)節(jié)感前端要和擋風(fēng)刮的截面、連接擋板進(jìn)行對應(yīng)設(shè)計(jì)。

在完成上述設(shè)計(jì)后，利用調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對船舶空調(diào)的通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)控制，可以集中管控進(jìn)風(fēng)管的進(jìn)風(fēng)數(shù)量，方便后續(xù)進(jìn)行減振降噪處理。消音設(shè)備放在箱體中進(jìn)行箱體分割，可以獲取出風(fēng)腔、進(jìn)風(fēng)腔、進(jìn)風(fēng)通道。進(jìn)風(fēng)管和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)要放在進(jìn)風(fēng)腔中，箱體內(nèi)壁的消音材料和裝置可以構(gòu)成流線型的通風(fēng)通道，大小等同于進(jìn)風(fēng)管的管徑，出風(fēng)腔要連接出風(fēng)管。

3.2具體的減振降噪處理

消音裝置與箱體內(nèi)部的消音保溫材料之間可以構(gòu)成流線型的進(jìn)風(fēng)通道，這樣進(jìn)風(fēng)腔在經(jīng)過管道進(jìn)行送風(fēng)時(shí)，空氣受到壓縮與膨脹會抵抗因?yàn)樵胍袈暡ㄓ绊懚a(chǎn)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(xiàn)振動，并在摩擦、黏滯阻力的影響下，將部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能逐漸吸收，以此控制噪聲的繼續(xù)傳遞。同時(shí)，聲波經(jīng)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(yù)防產(chǎn)生空氣物流現(xiàn)象，有效減少噪聲的出現(xiàn)。同時(shí)，要在消音裝置、出風(fēng)腔、進(jìn)風(fēng)腔等連接區(qū)域設(shè)計(jì)成外圓弧結(jié)構(gòu)，出風(fēng)腔內(nèi)壁拐角的消音保溫材料要呈現(xiàn)出圓弧結(jié)構(gòu)，這樣不僅能提升送風(fēng)流動的速度，還可以有效控制空氣渦流噪音的出現(xiàn)。

3.3延長應(yīng)用壽命

布風(fēng)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(dá)到前者的兩倍，實(shí)際耐腐性非常強(qiáng)，能有效延長布風(fēng)器的應(yīng)用時(shí)間。從實(shí)踐角度來看，要利用鍍鋅孔板將箱體分成彼此連接的各個(gè)區(qū)域，任意一側(cè)或兩邊都要安裝消音保溫材料層，實(shí)際通道大小要低于出風(fēng)管和進(jìn)風(fēng)管的管徑。這種設(shè)計(jì)不僅能幫助船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)有效進(jìn)行減振降噪處理，還可以進(jìn)一步保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

4結(jié)語

綜上所述，本文以知識組件為核心的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖，引用了 CFD 技術(shù)方法進(jìn)行實(shí)證分析，結(jié)合具體問題提出了一種低噪音布風(fēng)器。整體設(shè)計(jì)需要讓出風(fēng)管和進(jìn)風(fēng)管與連通箱體有效連接，在箱體一側(cè)設(shè)計(jì)進(jìn)風(fēng)管，在箱體底板設(shè)計(jì)出風(fēng)管，箱體內(nèi)必要安裝消音保溫材料，箱體內(nèi)部還要配備與管口一致的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。同時(shí)，保障消音裝置和保溫材料之間構(gòu)成流線型的進(jìn)風(fēng)通道大小要和管徑一致。這種減振降噪的設(shè)計(jì)方案，不僅能滿足進(jìn)風(fēng)出風(fēng)的各項(xiàng)需求，還可以達(dá)到低噪音的運(yùn)行要求，整體操作結(jié)構(gòu)簡單，非常適合在船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的末端應(yīng)用。

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