機艙熱發散控制用通風參數影響的模擬分析

李敬仁，沈恒根，陳紅超，包　劍，沈云鵬（. 東華大學 環境學院，上海 060；. 中國船舶重工集團公司 第七〇一研究所，上海 008）

機艙熱發散控制用通風參數影響的模擬分析

李敬仁1，沈恒根1，陳紅超2，包劍2，沈云鵬1
（1. 東華大學 環境學院，上海 201620；2. 中國船舶重工集團公司 第七〇一研究所，上海 201108）

針對船舶機艙發電機組、鍋爐等高負荷熱源，研究采用空氣射流通風技術進行熱發散控制。結合機艙的現場條件，建立機艙熱發散控制的物理模型，選用計算流體力學的標準 k-ε 模型作為數值模擬計算模型。采用正交試驗法對穩態條件下的送風速度、噴嘴高度、送風溫度、送風濕度、排風速度等因素進行了模擬試驗分析。試驗得出不同通風因素對熱發散控制效果影響的顯著性大小排序：送風溫度、送風速度、噴嘴高度、排風速度。結合試驗分析結果提出了熱發散通風控制的優方案和考慮節能后再優化調整方案。

船艙通風；熱發散控制；射流送風；數值模擬試驗；通風控制因素

0　引　言

機艙是船舶的重要組成結構［1］，在空間緊湊的機艙中有鍋爐、發電機組、空氣壓縮機等熱散發設備，及排氣管系、動力管系等熱散發輔助設備。熱散發造成環境溫度升高影響到空氣壓縮機、冷水機組等設備正常運轉［2］。機艙中油液揮發到環境空氣中，當聚集到一定濃度還存在爆燃隱患。因此，機艙通風不僅提供鍋爐燃燒設備必需的供氧風量，還要把機艙余熱、有害氣體排除，創造適宜人員健康勞動、設備安全運行的空氣環境。

機艙具有設備功率大、持續工作時間長、熱發散量集中及環境空間狹小的特點。機艙熱發散控制技術可以采用空氣射流通風系統，通過下送高速氣流到達工作區，經過合理組織氣流使射流送風與排風有機配合，實施熱散發控制、燃燒補氧、人員供氣、污染物排放功能。本文通過建立數值模擬模型，采用 CFD 方法對影響通風效果的送風速度、碰嘴高度、送風溫度、送風濕度及排風速度等因素進行正交試驗，分析諸因素對機艙溫度的顯著性影響。

1　研究對象

1.1熱源狀況

本文以某船舶平時夏季機艙運轉工藝為研究對象，在此過程中持續產生高負荷熱量，使機艙溫度處在較高的范圍內，熱量在車間內上升擴散，經過排風口流向艙外。在不考慮圍護結構對熱傳遞的影響時，將過程簡化為高負荷熱源散發的熱量在設備表面均勻散發到周圍空氣，熱源功率分布如表1 所示，鍋爐在夏季僅 1 臺工作，另有4臺低功率設備散熱量忽略不計。

表1　機艙熱源功率分布Tab. 1　Engine room heat power distribution

1.2控制技術措施

針對該熱源，擬采用空氣射流通風技術進行熱散發控制。新風離開射流噴嘴后，隨著高度逐漸降低，射流斷面不斷擴大，射流與周圍氣體不斷進行質量、動量交換，周圍空氣不斷被卷入，射流流量不斷增加。而射流速度則因與周圍空氣的動量交換而不斷下降，空間中大量的靜止空氣被帶動，并與射流一起形成局部氣流，從而達到通風換氣的目的。空氣射流通風技術系統組成如圖1 所示［3］。

圖1　空氣射流送風系統Fig. 1　Ventilation system of air jet flow

2　研究模型及試驗設計

2.1物理模型

機艙縱深長 15 000 mm，寬 8 000 mm，高 4 250 mm，機艙側壁是垂直高度為 4 250 mm，水平距離為 1 350 mm，長度為 8 000 mm的斜面。新風由風管均勻［2］送到 40 個空氣噴嘴，噴嘴垂直向下送風，再由風機將室內高溫氣體從排風口抽走，空氣噴嘴圓截面尺寸為 Ф 52 mm，排風口的尺寸為 1 500 mm × 800 mm，風口分布由熱源負荷和位置確定，如圖2 所示。為簡化計算，忽略機艙頂部管道布置對氣流組織的影響。

圖2　機艙熱發散通風控制簡化原型Fig. 2　Ventilation control simplified prototype for heat dissipation of engineer room

對機艙區域的流場進行 1∶1 三維建模，建立起機艙熱發散控制的物理模型如圖3 所示。由于數值模擬計算是基于模型內部所劃分的每個網格單元，網格的質量直接影響到模擬結果的準確性。該模型的網格劃分如圖4 所示，采用六面體網格，最小尺寸為 30 mm，最大尺寸為 200 mm。

2.2數學模型

基于標準 k-ε 模型［4］具有較高的穩定性和計算精度，廣泛適用子高雷諾數湍流問題，包含了低雷諾數影響，可壓縮性影響和剪切流擴散，本文選用該模型進行數值模擬計算。假設氣體不可壓縮且艙內氣密性良好，對近壁面采用近壁函數法處理［5］，用 Quick 格式離散控制方程。控制方程為

圖4　機艙網格Fig. 4　Grid for engineer room

表2 給出在三維坐標下，通用式（1）對應的控制方程。

表2　通用控制方程中的參數Tab. 2　Parameters for general controlling equation

式中：ρ 為流體密度，在不可壓縮流體中為常數；t 為時間；為廣義變量；為對應的擴散系數；S 為對應的源項。x、y、z 為 3 維坐標下的 3 個方向分量；T為溫度；μ 為流體動力黏度；μt為湍流黏度；σt為湍流普朗特數；Pr 為普朗特數；Sμ，Sv，Sw為直角坐標系下的各方向的廣義源項。

為提高模擬效率，以獲得較好的模擬效果，進行如下理想化處理［6］：

1）流體為不可壓縮的穩態流動過程；

2）除了機艙進排風和鍋爐吸氣外，假設機艙除排風口外都密封完好［7］。

3）兩相流模型選用離散項模型，第 2 項物料定義為水蒸氣。

計算時考慮重力影響，重力加速度大小為 9.8 m/s2。各邊界條件定義如下：

1）射流系統空氣噴嘴和機械排風系統排風口定義為 Velocity-inlet（速度入口），速度大小和溫度根據每種工況確定，空氣噴嘴速度為負值；

2）機艙簡化后泄放閥定義為 Velocity-inlet（速度入口），速度大小由新風量和排風量確定，壓力泄放閥進風溫度為 30 ℃，相對濕度為 60 %；

3）熱源設為均勻向周圍環境散熱，散熱量由設備功率確定；

4）機艙其他外圍結構定義為 wall（墻體），不考慮墻體導熱。

2.3正交實驗設計

為分析諸多通風參數對機艙高負荷熱源熱發散控制的影響，包括送風速度、碰嘴高度、送風溫度、送風濕度、排風速度，每個因素取 3 水平，因素水平表見表3。試驗在不考慮交互作用的情況下，選取 6 因素 3 水平正交試驗表L27（36）進行因素分析，每種工況超壓泄放閥與壓力泄放閥的風速值見表4。正交試驗表中，除所取5因素外，還需設置空白列，用來反映試驗誤差，并以此作為衡量試驗因素產生的效應是否可靠的標志。

表3　機艙熱發散控制影響因素水平表Tab. 3　Influential structure factors for heat dissipation of engineer room

表4　泄放閥風速值Tab. 4　Wind speed of relief value

3　結果及分析

3.1試驗結果

采用模型對諸多通風參數進行模擬計算，并以機艙工作區（不超過 2 m 高范圍）平均溫度作為熱發散控制效果的指標，共 27 組正交試驗工況結果見表5。

表5　試驗方案設計及結果Tab. 5　Experimental scheme and results

3.2結果分析

3.2.1各因素對機艙工作區溫度的影響程度

計算平均溫度的極差 R（見表6），極差的大小表示該因素對試驗結果的影響大?。?］。表6中，Ki為任一列水平號為 i 時多對應的考察指標結果之和，kiKi/s，其中 s 為任一列各水平出現的次數，則極差可表示為

結合表6，根據平均溫度極差分析的結果，機艙通風參數對平均溫度的影響程度排序為 C＞A＞B＞E＞D。

表6　各因素極差分析表Tab. 6　Range calculation of factors

為深入探究所選組合的可靠性，對試驗指標結果進行方差分析［8］。根據因素偏差平方和計算公式［8］，以因素 A 為例有

誤差的偏差平方和為

式中：S 為偏差平方和；Xij為每組試驗指標；m 為每種因素的水平數；n 為試驗總次數；r 為試驗重復次數。根據文獻方差分析法，計算結果見表7。

表7　平均溫度方差分析表Tab. 7　Analysis of variance for average temperature

根據方差分析結果，A和C 為高度顯著性因素，其水平改變對試驗指標的影響高度顯著；B 為顯著性因素，其水平改變對指標影響顯著；E 為較顯著性因素，對試驗指標有一定性影響；D 為非顯著性因素，對試驗指標沒有顯著性影響。通風參數諸因素對機艙工作區平均溫度的影響程度排序為 C＞A＞B＞E＞D，與極差分析的結果一致。

3.2.2優方案的確定

考慮實際工況要求，試驗指標要求越小越好，表明對高負荷熱源的熱發散控制效果越好。因素 D 是非顯著性因素，對試驗指標沒有顯著性影響，在選優時可以不考慮。如圖5 的變化趨勢圖，對機艙冷卻效果較好的組合為 A3B1C1E3。

圖5　各因素對工作區平均溫度的影響趨勢Fig. 5　Effect of various factors on average temperature of working area

對試驗確定的優方案進行數值模擬，直觀分析機艙工作區溫度場及空壓機，冷水機組設備運行的環境溫度。圖6 表示機艙內 1.5 m 高度上的溫度分布。在采用空氣射流通風系統時，室內溫度出現分區現象，溫差可以達到 15 ℃，但是室內工作區平均溫度為 34 ℃。對于局部高負荷熱源，空壓機工作區溫度為 35.4 ℃，冷水機組工作區溫度為 32.2 ℃，符合設備工作效率對環境溫度的要求。

圖6　優方案 Y = 1.5 m 溫度場Fig. 6　Temperature field at the section of Y=1.5m of optimal combinations condition

在降溫達到實際工藝要求的前提下，綜合考慮實際工藝條件和節能，對優方案進行再優化。由于機艙內溫度與通風負荷有關，過低的溫度能耗較大，適當提高送風溫度，降低新風系統制冷量，初步篩選確定送風溫度為 18 ℃。另外，機艙是一種特殊的機械處所，需要維持一定的超壓，防止向艙室內滲風，在送風速度不變的情況下，降低排風速度可以建立一定的正壓環境。且排風速度相對其他參數影響較小，減小排風速度，風機風量就越小，能耗也相應較低，排風速度設為 1.1 m/s。

3.2.3調整后機艙溫度場

對再優化調整后的工況進行數值模擬，溫度場模擬結果如圖7 所示。調整后工作區的平均溫度為 37.3 ℃，空壓機工作區溫度為 38.4 ℃，冷水機組工作區溫度為35 ℃，同樣符合設備對溫度的要求。

圖7　再優化方案 Y = 1.5 m 溫度場Fig. 7　temperature field at the section of Y = 1.5 m after optimization

4　結　語

1）機艙通風諸參數對工作區平均溫度的影響重要程度排序為：送風溫度＞送風速度＞送風高度＞排風速度，送風濕度為非顯著性因素，不參加排序。

2）根據正交試驗結果確定 A3B1C1E3為優方案，即送風速度為 40 m/s，送風高度為 2.8 m/s，送風溫度為 16 ℃，排風速度為 1.3 m/s?？紤]實際工藝條件和節能，對優方案進行再優化，調整后的方案送風速度為40 m/s，送風高度為 2.8 m/s，送風溫度為 18 ℃，排風速度為 1.1 m/s。

3）調整后工況工作區的平均溫度為 37.3 ℃，滿足工作人員對環境溫度的要求，局部溫度在設備較高工作效率范圍內。

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Simulation and analysis of ventilation parameters for controling heat dissipation in engine room

LI Jing-ren1， SHEN Heng-gen1， CHEN Hong-chao2， BAO Jian2， SHEN Yun-peng1
（1. College of Environmental Science and Engineering， Donghua University， Shanghai 201620， China；2. The 701 Research Institute of CSIC， Shanghai 201108， China）

For the high load heat of generator and boiler in ship engine room， considering the air jet ventilation technology to control heat dissipation effectively. Combined with the actual conditions of the engine room， a physical model for controlling heat dissipation were established， selecting criteria k-ε model as the numerical model based on computational fluid dynamics. The factors that influence the average temperature， including air velocity， nozzle height， air temperature， air humidity， ventilation rate， were numerically analyzed in steady state condition by orthogonal test. The test on heat dissipation effects of different ventilation parameters reflected significant size： air temperature， air speed， nozzle height， exhaust velocity. Through analyzing the test results， the paper provided optimal combinations of heat dissipation and adjusting optimal combination condition after considering energy-saving.

engineer room ventilation；heat dissipation control；air jet ventilation；test of numerical simulation；ventilation control factors

U663.8

A

1672-7619（2016）05-0082-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.018

2015-10-12；

2015-11-05

李敬仁（1991-），男，碩士，研究方向為工業通風污染控制與船舶機艙通風冷卻仿真。