陳紅超，宋靠華，李棟，王吉

中國艦船研究設(shè)計中心，上海201108

0 引 言

由于現(xiàn)代艦船的作戰(zhàn)和使用需要，新型桅桿中集中布置了大量的電子設(shè)備，比如電子機柜、通信導(dǎo)航機柜等。同時考慮到電磁屏蔽和隱身要求，原本布置在桅桿的外壁和支架的電子設(shè)備，都密集布置在桅桿的封閉空間內(nèi)，導(dǎo)致發(fā)熱量很大。對于新型桅桿發(fā)熱量大，且必須滿足溫濕度控制的要求等特點，簡單的通風(fēng)換熱方式已經(jīng)無法勝任，溫度過高會降低電子元器件的工作效率，在規(guī)定范圍外溫度每增加10 ℃，其工作效率約下降2%；溫度過低會導(dǎo)致設(shè)備無法運行以及機械結(jié)構(gòu)的硬化和脆化［1］。如何在桅桿中相對較小的封閉空間內(nèi)營造設(shè)備所需的熱環(huán)境，從而使設(shè)備能最大程度地發(fā)揮其功能，成為桅桿空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。因此，開展對新型桅桿的高熱流密度空間的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計分析研究，使桅桿內(nèi)密閉空間的電子機柜、設(shè)備、人員能正常有效地工作，為我國水面艦船設(shè)備集成化提供可靠的環(huán)境系統(tǒng)支持具有重要意義。

1 新型桅桿空調(diào)系統(tǒng)方案設(shè)計和研究方法

1.1 新型桅桿環(huán)境要求

某試驗用新型桅桿分為4 層：第1 層屬于通風(fēng)區(qū)，第2～4 層屬于空調(diào)區(qū)（圖1），該桅桿集中布置了大量的電子設(shè)備。為了保證電子機柜的正常運行，各層溫度需要控制在一定范圍內(nèi)，參照數(shù)據(jù)中心主要溫度的控制要求［2］，第1 層的溫度需控制在35 ℃以下，第2～4 層溫度需控制在27 ℃以下。通過計算各層的熱流密度（表1），可以看出艙室第2層和第3 層的熱流密度超過180 kcal/（h·m2），其中設(shè)備發(fā)熱量是艙室負荷的主要來源。第2～3 層總設(shè)備發(fā)熱量占整個艙室冷負荷的70%以上，遠超過了水面艦船一般電子機柜艙室的熱流密度值，如果不及時將高密度的熱量消除，將造成電子設(shè)備工作空間的熱環(huán)境惡化，嚴重影響甚至損壞電子設(shè)備的正常運行。

表1 各層艙室和設(shè)備的熱流密度Tab.1 Heat flux density of each layer and cabin equipment

1.2 新型桅桿空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計方案

基于以上分析，擬采用3 種方案對新型桅桿的環(huán)境進行控制：方案1 是在第1 層布置1 臺直冷式循環(huán)通風(fēng)裝置，并分層布置風(fēng)管，即采取上送下回式通風(fēng)；方案2 是采用冷水機組和風(fēng)機盤管形式，即在桅桿的第1～4層分層配置風(fēng)機盤管；方案3是在各分層布置立柜式空調(diào)機。江億等［3-5］采用獨立溫濕度控制的循環(huán)通風(fēng)裝置可以有效控制高熱流密度數(shù)據(jù)機房的溫濕度，因而采用直冷式循環(huán)通風(fēng)裝置通風(fēng)是一個比較可行的方式。比較方案2 和方案3，都是目前較常用的處理船用高熱流密度艙室的通風(fēng)方法，其氣流組織方式相似，但是比較風(fēng)機盤管所需的冷媒水和立柜式空調(diào)機所需的冷卻海水的供應(yīng)，由于冷卻海水從底艙分散輸送至各層，壓力損耗比較大，且各層配置柜機占地空間比較大，因而方案2 優(yōu)于方案3。比較方案1和方案2，其氣流組織方式不同，由于桅桿內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量比較大，氣流組織不同對桅桿內(nèi)的溫度分布影響較大。

計算各層負荷進行相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計，具體配置見表2。為了更直觀地對比方案1 和方案2，取方案2 配置的風(fēng)機盤管效能等效成方案1的循環(huán)通風(fēng)裝置的效能，即假設(shè)各層風(fēng)機盤管的送風(fēng)量與直冷式循環(huán)通風(fēng)裝置的送風(fēng)量相當(dāng)，送風(fēng)溫度也相等，取14 ℃。

表2 方案選型配置表Tab.2 Scheme selection

1.3 新型桅桿物理和數(shù)學(xué)模型

借助CFD 可以很好地模擬空調(diào)通風(fēng)的氣流組織，董玉平等［6-10］應(yīng)用CFD 準確模擬了空調(diào)通風(fēng)的熱環(huán)境控制問題，本文擬采用CFD 來對新型桅桿的氣流組織進行模擬。

通過簡化模型，剔除掉影響桅桿內(nèi)熱分布小的因素，建立桅桿1∶1 物理模型，并進行以下3 點假設(shè)：

1）省略空調(diào)出口到各層間的送風(fēng)管，由各層風(fēng)管入口直接送入空調(diào)風(fēng)；

2）循環(huán)通風(fēng)裝置的回風(fēng)口可以等效成一個通風(fēng)出口（600 mm×600 mm）；

3）桅桿內(nèi)各臺設(shè)備散熱形式等效成設(shè)備頂部的散熱面散熱。

建立方案1 和方案2 的物理模型（圖2～圖3）。

圖2 桅桿風(fēng)管布置模型Fig.2 The air duct layout model

圖3 桅桿風(fēng)機盤管布置模型Fig.3 The fan coil layout model

仿真模型的數(shù)學(xué)物理方程如下。

連續(xù)性方程：

式中：ρ 為空氣密度；u，v，w 分別為x，y，z 方向上的氣流速度；t 為時間。

動量守恒方程：

式中：p 為壓強；cp為比熱容；T 為溫度；k 為流體的傳熱系數(shù)；ST為流體的內(nèi)熱源，即粘性耗散項；g 為重力加速度。

空調(diào)通風(fēng)流場屬于強制對流場，空調(diào)通風(fēng)都屬于小溫差的流動，對密度的處理選用Boussinesq模型可以達到很高的精度，另本湍流模型中選用低雷諾數(shù)模型k-ε 模型，該模型不僅對于近壁面的高熱流量梯度與近壁面函數(shù)一樣有很好的適應(yīng)性，而且在湍流區(qū)與標準k-ε 一樣有很高的精度［11］。夏季時桅桿的表面溫度可達50 ℃，由于桅桿空調(diào)通風(fēng)氣流與桅桿內(nèi)表面存在輻射和對流換熱2 種換熱方式，故壁面選用對流和外部輻射混合邊界條件。模型網(wǎng)格劃分全部采用結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，計算區(qū)域通量采用二階迎風(fēng)格式。綜上所述，選取2種方案的送風(fēng)量和送風(fēng)溫度相同，2 種模型具體的邊界條件如表3 所示。

表3 邊界條件Tab.3 Boundary conditions

2 方案對比分析

基于上述仿真模型，計算夏季工況條件下桅桿空調(diào)區(qū)的溫度場，先觀察各個典型切面在桅桿各個位置的分布（圖4），分別為第1～4 層的頂部平面（距甲板面50 mm）和2 個垂直中剖面圖，由于熱氣流向上運動，頂部的溫度相對較高，可以客觀地反映艙室的排風(fēng)溫度。

圖4 桅桿內(nèi)總溫度云圖Fig.4 The contours of total temperature in the mast

現(xiàn)分別觀察2 種方案下各個切面的溫度分布。圖5 為第1～4 層頂部平面溫度分布圖（圖中空缺部分表示溫度超出對照的最高溫度；其中圖5（f）整體溫度都超過對照圖，應(yīng)全部為空缺顯示，為了便于觀察全部用對照色最高溫度顯示），圖6 為中縱剖面溫度分布圖。從圖5（a）、圖5（c）、圖5（e）和圖5（g）中的溫度分布可以看出，采用循環(huán)通風(fēng)方式的第1 層整體溫度都在27 ℃左右，靠近空調(diào)器回風(fēng)口的溫度偏高，在30 ℃左右，計算面平均溫度為27.6 ℃；第2 層頂部平面溫度分布比較均勻；第3 層頂部雖然平均溫度為28.8 ℃，滿足將溫度控制在27±2 ℃的設(shè)計要求，但平面溫度分布很不均勻，局部高溫超過32 ℃，分析其原因是機柜處的熱流密度比較大，局部高達2 100 W/m2，并且靠近發(fā)熱機柜頂部，在設(shè)計時可以適當(dāng)加大此處送風(fēng)量。

圖5 第1～4 層頂部平面溫度分布云圖Fig.5 The temperature contours of ceiling from floor one to floor four

從圖6（a）和圖6（c）可以看出，中縱平面熱分布沿高度方向分布比較均勻。對比風(fēng)機盤管通風(fēng)方式，圖5（b）、圖5（d）、圖5（f）和圖5（h）中，各層頂部平面溫度分布極不均勻，局部靠近壁面和設(shè)備頂部出現(xiàn)超過52 ℃的高溫，可能由于風(fēng)機盤管對角布置，靠近邊壁的設(shè)備氣流組織不均勻；從第3 層平面圖可以更明顯地看出，整個頂部平面的溫度都在32 ℃以上，平均溫度為39.1 ℃，顯然不符合設(shè)計要求，同時從圖6（b）和圖6（f）這2 個中縱平面圖也可以看出各層沿高度方向溫度分布也極其不均，整個頂部平面的溫度都在32 ℃以上。

圖6 中縱剖面溫度分布圖Fig.6 The temperature contours of longitudinal section

圖7 為采用循環(huán)通風(fēng)和風(fēng)機盤管2 種通風(fēng)方式各層的溫度分布。從圖7 可以看出，除第1 層溫度相當(dāng)外，第2 層到整體采用風(fēng)機盤管通風(fēng)方式的溫度分布都高于采用空調(diào)循環(huán)通風(fēng)方式的溫度分布，其中第3 層甚至高出10.3 ℃，比循環(huán)通風(fēng)方式高出35.8%；另外，采用風(fēng)機盤管通風(fēng)方式的整體平均溫度比循環(huán)通風(fēng)方式的整體平均溫度高3.5 ℃（12.7%）；從圖6 中縱剖面溫度分布圖可以看出，采用循環(huán)通風(fēng)方式比采用風(fēng)機盤管通風(fēng)方式在整個空間的溫度分布更均勻。以設(shè)計時的27 ℃為基準，計算2 種通風(fēng)方式各層平均溫度的均方差分別為1.65 和25.2，可見采用循環(huán)通風(fēng)方式的各層平均溫度方差比采用風(fēng)機盤管通風(fēng)方式的方差更小。綜上所述，采用空調(diào)循環(huán)通風(fēng)方式明顯優(yōu)于采用風(fēng)機盤管方式。

圖7 2 種通風(fēng)方式的各層溫度分布Fig.7 The temperature distribution of fan coil ventilation and circulation ventilation

3 仿真結(jié)果驗證

通過綜合分析，本文選用了空調(diào)循環(huán)通風(fēng)方案，并實測一組桅桿內(nèi)的環(huán)境溫度進行驗證。桅桿內(nèi)布置12 個溫度傳感器，2 個信號采集模塊，1個環(huán)境監(jiān)測裝置，圖8 為桅桿環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。信號采集模塊用于采集溫度信號并將溫度信號傳輸給環(huán)境監(jiān)測裝置，環(huán)境監(jiān)測裝置記錄各層的溫度數(shù)據(jù)和設(shè)備運行參數(shù)。在各層頂部不同位置布置3 個溫度傳感器，傳感器避免布置在設(shè)備正上方或氣流擾動比較大的地方。圖9 為現(xiàn)場溫度傳感器，圖10 為各層溫度傳感器分布圖，其中單位為mm。記錄桅桿的空調(diào)循環(huán)通風(fēng)裝置的技術(shù)參數(shù)：送風(fēng)溫度17.7 ℃，回風(fēng)溫度21.5 ℃，外界溫度22.3 ℃。當(dāng)各層的溫度趨于穩(wěn)定時，記錄各層傳感器數(shù)據(jù)（表4）。從表4 中可以看出第1～4層的平均溫度分別為25.0，27.0，25.5，22.2 ℃（保留一位小數(shù)）。通過FLUENT 軟件仿真，計算出第1～4 層頂部平面（距甲板50 mm）的溫度，對比實測的溫度和CFD 仿真溫度（圖11）。從圖11可以看出各層的實測溫度和仿真相當(dāng)，整體平均溫度相差0.65 ℃，整體相對誤差為2.6%。可見實測數(shù)據(jù)很好地驗證了仿真結(jié)果的可靠性。

圖8 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of environmental monitoring system

圖9 溫度傳感器Fig.9 Temperature sensor

圖10 各層溫度傳感器分布圖Fig.10 Distribution of temperature sensors

表4 各層溫度記錄表Tab.4 Temperature records for each layer

圖11 桅桿內(nèi)實測和仿真溫度對比Fig.11 Measured temperature versus simulation temperature

4 結(jié) 論

本文主要通過分析新型桅桿內(nèi)熱負荷分布，設(shè)計了3 種環(huán)境控制方案，重點對比分析了循環(huán)通風(fēng)方案和風(fēng)機盤管通風(fēng)方案在桅桿中的熱分布情況，同時通過實測數(shù)據(jù)驗證了桅桿空調(diào)通風(fēng)的數(shù)學(xué)仿真模型。通過對比分析，發(fā)現(xiàn)對于桅桿的環(huán)境控制采用空調(diào)循環(huán)通風(fēng)的方式優(yōu)于采用風(fēng)機盤管的通風(fēng)方案，在控制多層高熱流密度桅桿的溫度時，具有以下優(yōu)勢：

1）可消除設(shè)備發(fā)熱量，明顯降低艙內(nèi)平均溫度。

2）有效促進艙內(nèi)氣流混合，使桅桿內(nèi)的氣流分布更均勻。

3）靈活布置風(fēng)管，解決艙內(nèi)發(fā)熱設(shè)備分布不均的問題。

本文建立的新型桅桿仿真模型可以較準確地預(yù)測桅桿熱分布狀況，可以應(yīng)用于桅桿的空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，對提高我國水面艦船新型桅桿環(huán)境控制技術(shù)具有重要的參考價值。

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