基于船舶數字總圖的艙室傳導熱計算方法研究

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

0 引言

艙室負荷計算是船舶空調選型的基礎[1]，若空調選型不當，艙室會存在過冷或過熱現象，無法滿足正常的居住生活環境，同時也無法保證船舶各種設備和儀器正常運行，更不能適應船舶大型化后所帶來的艙室負荷不均衡現狀。艙室負荷計算中最關鍵也是最繁瑣的一步就是通過艙室每個壁面傳入相鄰艙室的艙壁傳導熱計算。

自Carrier[2]發表了溫濕度公式和絕熱飽和理論以來，國內外學者在空調負荷計算方面進行了大量的研究。在建筑空調領域，負荷計算中常采用的有當量溫差法[3]、諧波分析法[4]、反應系數法[5]和傳遞函數法[6]等。在船舶空調領域，高山[7]研究了船舶艙室冷負荷動態計算方法，分析了艙室圍壁空氣層對艙室熱環境的影響。孫少哲等[8]提出了單艙艙容為5萬立方米的LNG船液貨圍護系統安裝平臺空調系統的設計方案。王洋等[9]研究了水面艦艇彈庫空調系統負荷計算，并開發了彈庫空調通風計算軟件。李偉光等[10,11]以復雜船舶圍壁頻域有限差分模型為例，采用參數辨識算法構造了圍壁的多項式傳熱傳遞函數。

艙室傳導熱計算一般都是通過參照圖紙測量計算，不僅設計效率低下，而且特別容易出錯，誤差較大，無法滿足船舶空調負荷快速、準確計算的需求。隨著船舶設計任務和復雜程度的增加，在設計過程中艙室或設備經常發生變化，導致空調負荷無法滿足變更后使用要求，需要重新進行艙室傳導熱計算，這一過程往往會耗費大量的人力和物力。因此，有必要實現空調負荷計算快速化、規范化和流程化，提高船舶空調系統設計效率。

1 艙室傳導熱模型

艙室傳導熱一般是指通過艙室所有艙壁和外部環境交換的熱量[12]。空調通風、滲風，使艙室內空氣不斷進行混合、熱交換和流動，艙室內各壁面與艙室內外空氣不斷進行對流換熱，則通過該艙室所有艙壁的艙室傳導熱可表示為：

其中：q為傳導熱；λ為傳導熱計算系數；Fi為艙室第i個艙壁與相鄰艙室之間的傳導熱面積；Ki為第i個艙壁傳熱系數；△Ti為第i個艙壁內外的設計溫差。

在式(1)中，傳導熱系數λ、艙壁傳熱系數Fi、和設計溫差△Ti為可以查表取值，因而，只需確定各艙壁與相鄰艙室之間的傳導熱面積Fi即可得到艙室的傳導熱。

2 船舶數字總圖技術

總圖設計技術起源于建筑行業，是用于確定各種建筑物、綜合管線及交通運輸設施的平面關系、豎向關系、空間關系及生產活動有機聯系的綜合性學科[13]。隨著設計技術和理念的不斷發展和完善，總圖設計技術的發展也呈現出多元化的趨勢。目前總圖設計技術的使用范圍已經不僅僅局限于建筑行業，它已經廣泛應用于市政工程、景觀園林、交通運輸和船舶設計等工程建設的各個方面。

船舶數字總圖是指根據船舶的幾何尺度、排水量、總布置等設計條件，按照船舶總體設計要求，并通過計算機輔助設計手段，合理規劃甲板分層、艙室布局、建筑造型、設備布置等的平面關系、豎向關系、空間關系的，且包含相關基本屬性信息的平面圖。以船舶數字總圖中艙室曲線為例（圖1中選中虛線），該曲線包含了艙室編號、艙室名稱、艙室高度、艙底面積、艙頂面積、艙底相對下甲板位置、艙底相對下甲板偏移量、艙頂相對上甲板位置、艙頂相對上甲板偏移量等信息。

有鑒于此，在計算艙室傳導熱時可借助數字總圖技術來計算相鄰艙室之間的傳導熱面積。

3 艙室傳導熱計算方法

艙室相鄰分為兩種：四周相鄰和上下相鄰，四周相鄰即分析同一甲板層中艙室之間的相鄰關系，上下相鄰即分析艙室與上層甲板和下層甲板艙室之間的相鄰關系。艙室傳導熱計算的重點在于相鄰艙室之間的傳導熱面積計算，本文通過構建最大虛擬外接圓來判斷兩艙室是否相鄰，大大提高了艙室是否相鄰的檢測速度。以圖1某型船舶數字總圖中選中艙室為實例計算艙室傳導熱。

圖1 某型船舶數字總圖示意圖

3.1 四周相鄰艙室傳導熱計算

1）獲取2層甲板艙室1的曲線頂點坐標信息，求出以距離最遠的兩頂點為直徑的外接圓的圓心坐標OP和半徑R（圖2中虛線曲線為外接圓，點劃線為其直徑）。

2）依次求解圓心OP至組成艙室2各段曲線的距離，若小于或等于半徑R，則表示兩艙室四周相鄰。若相鄰，依次以艙室1的所有邊為基準（設圖2中單點劃線為艙室1第一條邊），求解其與艙室2曲線（4條邊，圖2中雙點劃線）所有邊的重合部分長度，得到兩艙室所有邊重合長度，可表示為：

圖2 艙室四周相鄰示意圖

其中，D12表示艙室1和艙室2所有邊重合部分長度矩陣，dij表示艙室1第i條邊和艙室2第j條邊重合部分長度，將所有重合長度相加即為兩艙室艙壁重合長度L12：

3）艙壁重合長度L12與艙室高度h相乘即為四周相鄰兩艙室傳導熱面積F12：

4）結合式(1)，即可得到艙室1和艙室2的傳導熱：

3.2 上下相鄰艙室傳導熱計算

1）以艙室1艙頂為基準，投影至上層甲板，如圖3，獲取投影后艙室1的曲線頂點坐標信息，求出以距離最遠的兩頂點為直徑的外接圓的圓心坐標OP和半徑R（圖3中虛線曲線為外接圓，點劃線為其直徑）。

圖3 艙室上下相鄰示意圖

2）依次求解圓心OP至組成艙室7各段曲線（圖3中雙點劃線）的距離，若小于或等于半徑R，則表示兩艙室相交。若相交，兩艙室曲線相交面積即為艙頂相鄰兩艙室傳導熱面積F16（圖3中黑色粗實線所圍面積）。

3）結合式(1)，即可得到艙室1和艙室6的傳導熱：

4）同理，以艙室1艙底為基準，投影至下層甲板，依次判斷投影后艙底曲線與下層甲板艙室曲線是否相交，即可求得艙底相鄰兩艙室傳導熱面積，進而計算傳導熱。

基于以上分析，2甲板艙室1的所有相鄰艙室傳導熱可表示為：

其中，q1j表示艙室1與艙室j之間的傳導熱面積。則圖2中所有艙室傳熱面積可表示為：

其中，qij表示艙室i與艙室j之間的傳熱面積，n為艙室個數。

4 艙室傳導熱計算軟件開發

4.1 設計流程

基于數字總圖的艙室傳導熱計算軟件設計流程如圖4所示。

圖4 艙室傳導熱計算軟件設計流程

1）通過對船舶數字總圖的分析，區分出圖中艙室曲線和甲板曲線，即哪些曲線表示艙室，哪些曲線表示甲板；

2）對艙室曲線進行分析，分離出艙頂、艙底信息，以及艙室所屬甲板層信息；

3）判斷同層甲板中艙室之間的相鄰關系，即哪些艙室之間是四周（前后左右）相鄰；獲取上、下甲板層艙室之間的上下相鄰關系，即哪些艙室之間是艙頂或艙底相鄰的；

4）通過幾何關系計算四周相鄰、上下相鄰艙室之間重合部分艙壁面積；

5）計算艙室傳導熱。

4.2 開發環境

基于數字總圖的艙室傳導熱計算軟件以AutoCAD 2006為繪圖工具，利用AutoCAD軟件內嵌的面向對象編程語言VBA（Visual Basic for Application）語言對其進行了二次開發[14]，采用工具條插件形式，定制開發所需的菜單和子菜單，如圖5所示。

圖5 插件菜單圖

4.3 應用實例

以圖1中選中艙室030311為例，經過基于數字總圖的艙室傳導熱計算軟件計算后，可得到與其相鄰艙室共有6個，傳導熱結果如圖6所示。

圖6 艙室傳導熱計算結果

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5 結束語

本文在分析了艙室傳導熱模型和數字總圖技術的基礎上，分別研究了四周相鄰和上下相鄰兩種情況下艙室傳導熱計算模型。設計了基于數字總圖的艙室傳導熱計算軟件設計流程，采用VBA編程語言，在AutoCAD平臺開發了基于數字總圖的艙室傳導熱計算軟件，并結合實例進行了應用。該方法可較大程度地提升艙室傳導熱計算效率和精確度，為船舶行業艙室傳導熱計算提供了一種快速化、規范化和流程化的計算方法。

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