海洋科學考察船溫控實驗室通風方案設計與仿真

胡 浩，華呈新，季惠玲

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引言

現代建造的船舶種類繁多，不同功能的艙室對于空調送風的要求不盡相同。溫控實驗室是科考船上一類特殊的艙室，對此類艙室實驗區域溫度的控制要求不同于對船舶普通住艙的溫度控制要求。因此，文章針對溫控實驗室工況設計了通風布置方案，并對氣流分布進行了模擬分析。本文中的溫控實驗室采用“側送上回”的送、回風方式，即側面柱狀布風器送風，頂部回風格柵回風。而傳統艙室一般布置頂部布風器，采用“上送下回”的送、回風方式。

計算流體力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）廣泛用于分析氣流組織，使用這種方法分析船舶艙室氣流分布符合現代數字化造船的要求[1-3]。為驗證空調通風方案設計的合理性，本文以溫控實驗室為研究對象，分析了使用“側送上回”通風方案時艙室實驗區域的氣流分布。

1 通風設計方案

根據溫控實驗室夏季與冬季不同的工況溫度要求，同時為滿足實驗區域溫度均勻性和通風環境低噪化的需求，本文提出了一種溫控實驗室的通風設計方案，如圖1所示。

圖1 溫控實驗室通風設計圖

使用2臺立式柱狀布風器通風末端作為送風組件，選取標準為送風量大、送風溫差小，滿足室內實驗區域的溫度均勻性要求，避免出現局部過冷或過熱的現象。柱狀布風器垂直于實驗室地板面，在實驗室呈等高對角布置，而回風格柵布置于整個實驗室房間的頂部中央位置。采用這種布置的目的在于保證空氣在實驗室內得到最大范圍的流動，形成流暢的循環通風系統，使實驗室內氣流流動順暢、無死角。2臺柱狀布風器通風末端與下層甲板的中央空調器均通過直徑為300 mm的圓形風管相連接。根據送風量，計算風管內的風速為8 m/s，遠小于船舶設計實用手冊[4]規范規定的風機排出側風速，排除送風風管空氣高噪音的可能性。

同時，回風格柵上部設置的回風箱是由天花板與其上方船舶甲板、側方船舶大梁通過密封絕緣壓條構成的腔室。4根200×200（mm×mm）回風風管從下層甲板的中央空調器中延伸至回風箱內，每個回風風管上均勻開設3個300×150（mm×mm）且開口朝上的回風口。當回風通過格柵進入回風箱后，空氣通過中央空調器的作用吸入回風風管的回風口中，避免空氣通過回風格柵直接進入風管產生的氣流噪音。此外，為保證風量平衡，艙室頂部設置有2個抽風頭。

2 物理模型和邊界條件

本船舶溫控實驗室的建筑面積是 4.86×3.26（m×m），層高2.47 m，工作人員為3人。為方便分析計算，利用三維軟件CATIA建模，如圖2所示。溫控實驗室內部實驗設備包括 1個潔凈實驗臺，家具設備包括2張工作桌、4張椅子、1個洗手池、2臺電腦以及1個顯示屏，照明設備為4個熒光燈和1個筒燈，通風設備包括2個柱狀布風器（送風）、4個回風格柵和2個抽風頭（回風）。使用數值計算軟件FLoEFD模型進行三維網格劃分，如圖3所示，為保證計算精度，整個計算域的網格總數為50萬。

圖2 溫控實驗室物理模型

圖3 溫控實驗室網格劃分

根據實驗室邊界條件的類型，將邊界條件劃分成四類，夏季和冬季工況的具體邊界條件如下：

1）入口邊界條件：實驗室對角布置2個柱狀布風器，夏季和冬季的送風量為4 100 m3/h，根據艙室設計要求，送風溫度分別為0.8℃和29.2℃。

2）出口邊界條件：實驗室天花板均勻設置4個回風格柵，總回風量為3 900 m3/h，此外還布置2個抽風頭，抽風量為200 m3/h，出口壓力為環境壓力。

3）壁面邊界條件：計算實驗室艙壁與其他相鄰房間的傳熱溫差。艙室夏季工況下，上側艙壁傳熱量為128.34 W，下側艙壁傳熱量為184.14 W，與洗手池相鄰艙壁傳熱量為67.76 W，相對艙壁的傳熱量為88.39 W，其余艙壁傳熱量為220.97 W。冬季工況下，上述艙壁的傳熱量分別為44.64 W、133.92 W、23.57 W、45.5 W和88.39 W。

4）室內熱源：燈具包括熒光燈和筒燈，散熱量分別為144 W和60 W，人體發熱總量為210 W，每臺電腦的發熱量為200 W。

3 數學模型

為保證艙室內部數值計算中流體流動的連續性，需應用流體的三大控制方程，即連續、動量以及能量方程[5]。

1）連續方程

式中：ρ為密度，kg/m3；u為速度，m/s；t為時間，s。

2）動量方程（X方向）

式中：μ為動力粘度，Pa·s；p為空氣壓力，Pa；Fx為切向力，N。

3）能量方程

式中：T為空氣溫度，℃；ST為能量源項，J。

影響艙室內部實際流場和溫度場的因素非常復雜，考慮到數值計算的收斂性，需對數值模型進行相應的簡化。為簡化計算，現作如下假設：1）室內空氣流動為低速流動，視為不可壓縮流體；2）室內流體以對流換熱為主，不考慮空氣的輻射傳熱；3）室內流場簡化為穩態流場，忽略時間常數。

4 結果分析與討論

本文對夏季和冬季兩種工況進行了模擬，選取了典型截面的溫度和速度場，考慮了艙室用途，選取了潔凈工作臺實驗區域的橫向截面（距底部艙壁0.8 m）和縱向截面（距相鄰側艙壁0.75 m）。

4.1 夏季設計工況

夏季工況下，橫截面的溫度分布如圖 4a）所示。布風器送風方向區域溫度較低，在0.5℃～1℃范圍之間，其它區域的整體溫度控制在 1℃～2.5℃之間；由于人體和電腦散熱，與其相鄰區域流場溫度偏高，在 3.5℃以上，與四周圍壁接觸的流場區域存在局部過熱的現象；潔凈工作臺實驗區整體溫度控制在1℃～2℃的范圍內。

縱向截圖的溫度分布如圖4b）所示。頂部溫度場受燈光散熱影響區域溫度過高，在3.5℃以上；布風器送風方向區域的溫度地域其它區域溫度，與橫向截面溫度較低區域保持一致，在0.5℃～1℃之間；潔凈工作臺實驗區在縱向上整體溫度分布較為均勻，在1℃～2℃的范圍內。

圖4 夏季工況溫度分布

速度在橫向截面的分布如圖 5a）所示。圖中：布風器出風口方向上的速度過高，在0.35 m/s以上，在不受設備阻擋的情況下，其隨水平射流速度逐漸減小，最終下降到0.2 m/s以下；潔凈工作臺實驗區域整體風速低于0.15m/s，對實驗進行沒有影響。

速度在縱向截面的分布如圖5b）所示。圖中：送風和回風區域整體偏高，在0.35 m/s以上；潔凈工作臺實驗區風速分布均勻，風速偏低，在0.15 m/s以下。

圖5 夏季工況速度分布

4.2 冬季設計工況

圖 6a）顯示了冬季工況下溫控實驗室橫向截面的溫度分布情況。從圖中可以看出：截面的絕大部分溫度在28℃～29℃范圍之間；布風器出口附近的溫度場溫度較高，在29℃～30℃范圍內；兩側實驗桌面布置電腦主機區域溫度受電腦散熱影響，溫度偏高，在29℃～30℃范圍內；與四周圍壁相鄰區域，由于壁面散熱，溫度相對整體溫度偏低，在27℃以下；潔凈工作臺的溫度在28℃～29℃之間。

冬季工況下溫控實驗室縱向截面的溫度分布情況如圖6b）所示。圖中：縱向接近底部區域（除靠近布風器區域）的整體溫度偏低，在27℃以下，原因在于底部艙壁在向外散熱的同時，由于采用“側送上回”的方式，送風在底部出現氣流死角區域；頂部由于燈光散熱，周圍區域溫度較高，在 33℃以上；潔凈工作臺在縱向上除底部溫度相對偏低，其他區域整體溫度分布較為均勻，并整體控制在28℃～30℃范圍內。

圖6 冬季工況溫度分布

冬季工況下，速度在橫向截面的分布如圖 7a）所示。潔凈工作臺實驗區域流場的風速低于0.15 m/s，滿足實驗不受風速影響的要求；除布風器出口風速過高在0.35 m/s以上，其他區域風速整體都在0.25 m/s以下，且分布較為均勻。

冬季工況下，速度在縱向截面的分布如圖7b）所示。圖中：送風口與回風口為高速區域，風速在0.35 m/s以上；潔凈工作臺實驗區的大部分區域風速在0.15 m/s以下。

圖7 冬季工況速度分布

5 結論

根據溫控實驗室對于溫度控制的要求，同時保證實驗區域通風的均勻性，文章提出了一種以柱狀布風器為主要送風末端、回風格柵為主要回風末端的通風設計方案。文章對實驗室艙內的氣流分布進行了數值模擬，并對潔凈工作臺實驗區域典型截面的溫度和速度分布進行了分析，結果表明：潔凈工作臺實驗區域在夏季和冬季工況下，區域的風速都在0.15 m/s以下，且分布較為均勻；夏季實驗區域的溫度整體控制在1℃～2℃之間，冬季實驗區域溫度整體控制在28℃～30℃之間；布風器出口區域的風速偏高，且夏季工況下溫度偏低，但這對實驗區域的風速和溫度影響不大。