船舶低溫實驗室孔板送風設計和數值模擬

陳豪 郭磊 溫添

摘? 要：某極地科考船舶上具有如低溫實驗室等對溫濕度有特殊要求的艙室，其艙室空氣環境設計面臨很大的挑戰，傳統送風方式難以滿足需求，在設計時考慮采用孔板送風以達到設計溫度要求。文章針對孔板送風末端在船舶領域的應用經驗和設計規范的缺乏等問題，在設計初始階段采用計算流體力學方法對其進行氣流組織模擬分析和優化應用研究。結果表明采用全面孔板送風形式可使該低溫實驗室溫度達到設計要求。文章研究結果對船舶孔板送風末端的應用研究具有參考借鑒意義。

關鍵詞：船舶艙室;低溫實驗室;孔板送風;計算流體力學;氣流組織

中圖分類號：U664? ? ? ? ?文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）24-0007-04

Abstract： The cabin of a polar scientific research ship with special requirements for temperature and humidity， such as low temperature laboratory， is facing great challenges in its cabin air environment design. Traditional air supply methods are difficult to meet the requirements. Orifice plate air supply method is considered in the design to meet the requirements. In view of the lack of experience and design specifications in the application of orifice plate air supply method in ship design field， computational fluid dynamics （CFD） method was used to simulate and optimize the air distribution in the initial stage of design. The results show that the temperature of the low temperature laboratory can meet the design requirements by adopting the full orifice plate air supply method. The research results of this paper can be used for reference in the application research of the orifice end of the ship.

Keywords： ship cabin; low temperature laboratory; orifice plate air supply; computational fluid dynamics （CFD）; air distribution

引言

船舶艙室空氣環境設計是現代船舶設計和建造中的一個重要方面，船舶艙室往往具有層高較低、空間封閉和人員密集等特點，而極地科考船還對空氣環境有許多特殊要求，其空調通風系統的設計面臨著更大的挑戰。

孔板式空調送風系統是目前廣泛應用于國外豪華郵輪和客滾船公共區域的空調送風系統。根據其氣流組織形式，孔板式送風又被稱為“雨降式”送風，空調房間氣流組織形式主要取決于送風射流，而送風口形式將直接影響氣流的混合程度、出口方向與氣流斷面形狀，對送風射流具有重要影響，在實際的工程應用中，需要根據空調精度、氣流形式、送風口安裝位置以及室內裝修的風格配合等方面的要求，選用不同形式的送風口，送風口的種類繁多，按送出氣流形式一般可分為輻射送風口、軸向送風口、線性送風口和面型送風口。對于科考船上的某些艙室，如低溫實驗室，由于受總體布置和結構限制，凈高較低，同時為了實現低溫環境，空調系統的設計風量會較大，為了獲得較快的速度衰減，使艙室內獲得較均勻的流型，有效降低處所內的噪聲，因此采用孔板作為空調送風系統的末端。當合理選擇孔板出口風速和孔板形式時，還能防止室內灰塵的飛揚而滿足更高的潔凈度要求。除此之外，經過合理的天花板布置以及裝飾，可以讓室內的人員觀察不到明顯的送風末端風口，不會影響該艙室整體布局的美觀。

本文采用計算流體力學方法對采用孔板送風系統的低溫實驗室進行氣流組織模擬分析和優化應用研究，驗證采用孔板送風時低溫實驗室溫度分布的均勻性，為該低溫實驗室的最終設計方案提供參考。

1 理論和方法

1.1 數值計算方法

本文數值模擬對湍流的處理采用基于雷諾時均方程的k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是目前工程中使用最廣泛的湍流模型，標準k-ε湍流模型引入兩個額外的輸運方程來描述湍流動能k和耗散率ε，k-ε方程與動量方程、能量方程、連續性方程一起構成了室內空氣流動的控制方程。

流體流動遵循的控制方程可以用以下通用形式來表示[1]：

（1）

式中各項依次為瞬態項、對流項、擴散項和源項，其中，u為速度矢量;?為通用變量，分別表示動量方程中的速度u，能量方程中的溫度T，體積分數方程中的C，湍流動能方程中的湍流動能K和湍流耗散方程中的耗散率ε;Γ為廣義擴散系數，S為廣義源項。

通過基于結構化自適應網格的有限體積法來求解雷諾時均方程，通過網格局部優化技術來適應物體邊界，采用雙尺度壁面函數模型來解決邊界層問題，空間上采用二階精度的差分格式，其中對流項采用迎風差分格式，擴散項采用中心差分格式，時間上采用隱式歐拉格式，采用類SIMPLE方法求解速度壓力耦合方程。

1.2 孔板送風設計方法

參考相關設計手冊[2]，總結給出孔板送風的設計計算步驟。

（1）確定孔板送風的形式，是全面孔板還是局部孔板。

（2）確定孔板送風口的風速vS（m/s），可按下式進行計算。

低溫實驗室圖紙如圖1所示。低溫實驗室為上送下回的送風形式，上方為全面孔板，下方為四個回風格柵;天花板處孔板與回風道通過夾層隔板分隔，孔板與艙室絕熱層之間形成了一個靜壓箱，根據負荷計算艙室送風量為3000m3/h，由式（12）算得靜壓箱高度應為350mm，但受船舶空間限制，靜壓箱高度為170mm，因此更有必要進行數值計算，確保方案可行性;研究表明，風管伸入靜壓箱時送風效果比靜壓箱側送風更好[3]，同時由于船體結構限制，六個送風頭只能布置在艙室天花板中間區域。根據圖紙建立的數值計算模型如圖2所示。

3 數值模擬

低溫實驗室設計條件為溫度在2-10°C范圍內可控，且艙室內溫度與設定溫度之差不超過±1°C，空調送風溫度為2-10°C可調，本文進行數值計算時采用的送風溫度為2°C。目前研究者針對孔板送風的數值模擬，一般不直接對實際孔板進行網格劃分，而是采用各種邊界條件處理對孔板進行簡化，這樣得到的結果與真實的孔板勢必存在差異，而本文將針對實際的孔板進行網格劃分，孔板局部網格如圖3所示。z=1m處速度和溫度云圖如圖4、5所示。

圖4為速度云圖，艙室內工作區域最大風速為0.35m/s，采用孔板式送風時可以確保較低的風速，保證艙室內工作區域風速小于0.25m/s，人員無明顯吹風感，滿足人體舒適度中關于空氣流速的要求。圖5為溫度云圖，艙室內工作區域平均溫度為2.6°C，最低溫度為2.1°C，最高溫度為3.3°C，由圖可以看出，只有人體附近溫度較高，可以認為在工作區域內滿足了艙室內溫度與設定溫度之差不超過±1°C的要求。

選取距橫向和縱向實驗臺中線100mm高處（橫向：y=2785mm，z=1000mm;縱向：x=5585，z=1000mm，如圖6），給出相應的溫度和速度隨位置變化曲線，如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可以看出實驗臺工作區域溫度和速度變化趨勢，除壁面處由于數值計算所需設置了表面熱源造成壁面附近溫度較高，實驗臺上方隨位置變化的溫差保持在0.3°C以內，橫向實驗臺上方氣流速度<0.3m/s，縱向實驗臺氣流速度<0.22m/s，實驗臺工作區域的溫度和速度都保持在理想范圍內，滿足了設計要求。

4 結論

本文針對某極地科考船舶低溫實驗室孔板送風系統進行了設計方法介紹和數值模擬，研究結果表明孔板送風系統使艙室內平均氣流速度較低、溫度分布均勻，滿足了對流速、溫度要求較高的低溫實驗室的設計要求;

后續可針對以下方面進行深入研究：

（1）研究孔板厚度、孔徑、孔間距對孔板送風效果的影響。

（2）結合數值計算和實際測量結果對比分析。

通過本文的研究表明，孔板送風系統可以滿足低溫實驗室等對流速、溫度要求較高艙室的設計要求。本文結果可對后續的船舶艙室孔板式送風系統應用研究提供參考和借鑒。

參考文獻：

[1]陶文銓.數值傳熱學[M].西安：西安交通大學出版社，1989.

[2]陸耀慶.實用供熱空調設計手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社，2008.

[3]劉曉宇，劉冬，等.恒溫恒濕立體倉庫孔板送風的影響因素及參數優化[J].能源技術，2008，29（6）：381-385.