局部射流送風對船舶機艙通風系統的改進分析

劉亞琴，劉喜元

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

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局部射流送風對船舶機艙通風系統的改進分析

劉亞琴，劉喜元

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

摘要：采用海水冷卻,結合外界新風的方法設計船舶機艙通風系統，通過利用局部射流送風技術對通風系統進行優化。建立三維模型，利用Airpark軟件對優化前、后的機艙通風系統進行對比分析，結果表明，利用射流通風冷卻裝置進行局部射流送風，能夠起到減少艙室風管布置，改善艙室氣流組織，降低局部高溫的作用。

關鍵詞：通風系統；機艙；局部射流；數值模擬

動力艙通風系統主要為動力艙創造合適的大氣環境，改善操作人員的工作條件；帶走發熱設備的發熱量，確保艙內設備的正常工作溫度。隨著新一代艦船的發展，新型艦船動力艙內設備越來越多，設備布置越發擁擠，發熱量總量增加，總體空間資源越發緊張，而用戶對機艙通風的效果要求又越來越高，采用目前三種常規動力艙通風方式[1]很難很好地解決動力艙通風問題，通風效果也難以達到用戶要求，迫切需要進一步提高改善。管路的射流送風系統能夠有效解決狹小機艙內的通風問題[2]，但同時存在高壓離心風機的噪聲問題[3]。為此，考慮通過增加新型射流送風式冷卻裝置，利用局部射流送風，改進動力艙內的氣流組織，減少風管路設計，并通過數值模擬計算，對改進前、后進行對比分析。

1數學模型

1.1初始工況

按照通風結合冷卻的方式設計動力艙通風系統。設艙室外環境溫度為35 ℃，經由新風風機抽入艙室內。計算風機溫升約2 ℃，送入的新風溫度為37 ℃。艙室設計溫度45 ℃。根據艙室總發熱量，配置兩臺循環通風裝置，單臺循環通風裝置制冷量為30 kW，循環風量約10 000 m3/h。經循環通風裝置處理后的送入艙室的空氣溫度約為34 ℃。外界新風量設計為9 000 m3/h，機械排風量為11 000 m3/h。通風系統基本參數見表1[4]。

艙室外海水溫度為32 ℃，所有艙壁以導熱方式向外界散熱。艙室內有一定數量的發熱裝置向室內散熱。

艙室左舷設有一臺循環通風裝置進行內循環，供應兩層的送風，送風出口溫度為34 ℃。左舷還設置一臺排風機，排風量為11 000 m3/h。艙室右舷同時設有一臺室外送風機和一臺室內循環通風裝置，上層風管總出風量9 000 m3/h(由室外環境空氣引入)，送風出口溫度為37 ℃。

艙室內通風系統的基本設計工況是數值模擬的依據，按設計方案計算艙室內的溫度場與速度場。

表1　初始工況通風設計參數

1.2優化工況

為減小艙室內的風管，通過降低循環通風裝置的制冷量，由30 kW降為20 kW，使循環通風裝置的送風風量降至5 500 m3/h，循環通風裝置設備外形尺寸得到相應減小，節省空間。增配2臺射流通風裝置，分左右舷布置，采用吊頂布置方式，盡量利用設備頂部空間，提高空間的利用率。射流通風裝置設5個噴口向室內射流，其總送風量為3 500 m3/h，每臺制冷量為10 kW，送風出口溫度約34 ℃，外形如圖1所示。三維計算模型見圖2。通風系統基本參數見表2。

圖1　射流通風裝置外形

圖2　計算模型

室外溫度/℃室內溫度/℃新風送風溫度/℃風量/(m3·h-1)循環通風裝置送風溫度/℃風量/(m3·h-1)射流通風裝置送風溫度/℃風量/(m3·h-1)排風風量/(m3·h-1)354537900034550034350011000

2數值模擬

使用Gambit建立機艙的幾何模型，采用混合網格對模型進行網格劃分。利用Airpark數值模擬軟件進行模擬，送風口設置為速度邊界條件。機艙內設備發熱量共計為80 kW，根據每臺設備的發熱量計算結果，平均分配到設備外表面，設置設備表面的平均熱流密度[5]。

3計算結果分析

3.1初始工況

矩形凸緣間網通風口作為基本通風口，對初始工況進行計算分析。

3.1.1艙室內溫度分布

艙室內部分送風口出口溫度為34 ℃，部分送風口出口溫度為37 ℃，送風溫度較高，室內設計溫度為45 ℃。初始工況下，艙室內典型平面處的溫度分布狀態見圖3。各截面的平均溫度均小于設計溫度，可以保證艙室內動力設備安全運轉。

圖3　艙室內溫度分布

計算結果表明，上下層格柵之間區域內溫度較高，但下層格柵的下方溫度相對較低。這是因為齒輪裝置工作時產生大量的熱，散發于空氣中，而相對于冷空氣而言，熱空氣密度較小，所以其周圍的空氣受熱上升，積聚于艙室頂部，室內垂直截面表現出明顯的溫度分層現象。各典型截面，通道處的平均溫度在40.7～43.3 ℃之間，局部有溫度偏高現象。

該工況下，典型截面的平均溫度見表3。

左右舷下層的溫度約為38 ℃，上層的溫度約為40～45 ℃，局部區域溫度高于45 ℃，高溫區主要集中于上部空間。

表3　各截面平均溫度

3.1.2艙室內氣流場風速分析

艙室內各典型截面的風速分布見圖4，其中風口處氣流速度較高，從風口流出后氣流開始衰減，但受到艙室內眾多裝置的影響，形成了多處渦流，使氣流流速分布不均，個別截面處平均流速較大，達到了0.61 m/s。

圖4　初始工況下艙室內氣流場風速分布

3.1.3初始工況總結

初始工況下，艙室內溫度基本滿足要求，但是存在局部通道區域溫度要高于45 ℃的現象；氣流局部出現渦流。

3.2優化工況

3.2.1艙室內溫度分布

優化工況下，室內各典型截面處的溫度分布規律見圖5。

圖5　優化工況艙室內溫度分布

射流通風裝置的吸氣口吸入來自艙室中部的高溫氣體，并對其進行降溫處理，利于處理艙室上部積聚的高溫空氣，同時對前、后通道處的溫度也得以改善。增加射流通風后各截面的平均溫度見表4。由表4可見，增加射流通風裝置后，各截面的平均溫度也得以降低。

表4　各截面平均溫度

3.2.2艙室內氣流場風速分析

優化工況下艙室內氣流場風速分布見圖6。

由圖6可見，雖然射流通風冷卻裝置的出風口速度較大，但速度衰減較快，通道處的風速未出現較高現象。渦流現象明顯改善。

4結論

在機艙通風系統設計中，由于機艙內設備較多，設備、電纜及水管等占據了大部分空間，使得風管布置較為困難。利用海水冷卻的循環通風裝置，相比完全靠新風帶走艙室發熱量已大大改善艙室環境。通過進一步利用射流通風裝置，引入局部射流送風，減小了循環通風裝置的負擔，減少了風管布置，計算結果表明，通過在機艙內增加局部射流，可以起到進一步改善艙室氣流組織，降低艙室局部溫度的目的。

參考文獻

[1] 趙遠征,劉亞琴,李鵬.水面船舶三種機艙通風系統設計對比[J].中國水運，2014(12)：17-18.

[2] 邵飛.空氣射流通風技術在艦船機艙通風系統中的應用[J].中國艦船研究,2007,2(4)：47-50.

[3] 王鳳良，柴鎮江.水面戰斗艦艇機艙空氣射流通風系統初探[J].船舶，2007(4)：33-35.

[4] 中國船舶工業總公司.船舶設計實用手冊：輪機分冊[M].北京：國防工業出版社，1999.

[5] 崔愛新,劉長建,唐曾艷.主發電機艙通風效果的優化設計[J].船舶工程，2013(S2):98-102.

Analysis of Improving Ship Engine Room Ventilation System by Local Jet Ventilation

LIU Ya-qin, LIU Xi-yuan

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The ventilation system is designed for ship engine room, combining sea water cooling with new air to low the temperature, and fetch in local jet ventilation to improve the environment of ship engine room. A three-dimensional numerical model is established to simulate the ventilation system by Airpark software. According to the results, new jet ventilation equipment can reduce air pipe size, improve air flow organization and reduce local high temperature.

Key words:ventilation system; engine room; local jet ventilation; numerical simulation

中圖分類號：U664.86

文獻標志碼：A

文章編號：1671-7953(2016)02-0020-04

第一作者簡介：劉亞琴(1981-)，女，碩士，工程師E-mail:liuyaqindut@163.com

基金項目：國家部委基金資助項目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.006

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統