陸　洋，李建榮，茅陳松

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431)

基于CFD的某船貨艙通風環(huán)境分析方法研究

陸洋，李建榮，茅陳松

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰214431)

摘要:以某船貨艙通風系統(tǒng)為研究對象，驗證通風設計方案中使用的CFD模擬計算方法是否合理有效。首先根據(jù)船舶艙室通風系統(tǒng)的要素和特點，設計艙室通風數(shù)值模擬方法;在此基礎上針對某船貨艙通風設計方案應用Aripak軟件模擬計算，輸出結果滿足設計要求;最后通過對照碼頭和航行實船試驗，模擬值與試驗值吻合良好，證實所用模擬方法的準確可靠。研究表明，本文提出的CFD模擬方法可有效分析船舶艙室內(nèi)熱環(huán)境，通過結合通風設計有助于優(yōu)化設備選型和實船配置。

關鍵詞:貨艙通風; CFD; Aripak;數(shù)值模擬

Research on the analytic procedures of a vessel cargo bay ventilation based on CFD

LU Yang，LI Jian-rong，MAO Chen-song
(China Satellite Marine Tracking＆Control Department，Jiangyin 214431，China)

Abstract:The research object of the paper is aimed at a vessel cargo bay ventilation to verify the reasonability and validity of the CFD simulation calculation method used in the ventilation design scheme．Firstly，a numerical ventilation method is proposed according to the factors and features of the vessel cabin ventilation system，on the basis of which the simulation calculation by Aripak software is applied in a vessel cargo bay ventilation design scheme，and the outcome meets the requirements．Lastly，compared with the dock and navigation experiment the simulation outcome matches that of the experiment well，confirming the accuracy and reliability of the used method．The study demonstrates that the thermal environment of vessel cabins can be effectively analyzed by the CFD simulation method，which combined with the ventilation design can contribute to the optimization of equipment selection and vessel installation．

Key words:cargo bay ventilation; CFD; Aripak;numerical simulation

0　引言

現(xiàn)代艦船是典型的、龐大的、復雜的人－機－環(huán)系統(tǒng)，其中通風系統(tǒng)用以建立并維持艙室(機艙、住艙、貨艙等)內(nèi)所需的環(huán)境條件如空氣溫度、濕度、流速等以保證各類設備(如柴油機、鍋爐等)良好運行狀態(tài)，同時也是改善船員生活工作條件的重要措施。隨著艦船人機環(huán)技術的發(fā)展，對艙室通風性能指標的要求越來越高;艙室通風設計在船舶建造前就應實施數(shù)值模擬，分析氣流組織，做出性能預測，然后通過調(diào)整設備配置優(yōu)化方案。然而，傳統(tǒng)的常規(guī)設計方法只是基于定性的、經(jīng)驗的判斷，缺乏針對性的分析和預測手段，滿足不了節(jié)能、高效、舒適的設計要求。目前，CFD技術及其應用軟件已被大量應用于暖通空調(diào)工程領域，可以有效改變單憑經(jīng)驗的粗放性，使設計更加精細合理［1－2］。

某首型船采用前傾首柱、球鼻、方尾、雙柴油機驅動、雙可調(diào)螺距螺旋槳、雙舵、尾橋樓船型，設置2個大開口貨艙，配置2臺全回轉重型起重吊，用于運輸專用集裝箱。圖1為該本船整體結構。為滿足運輸中特殊貨艙環(huán)境控制要求，對本船的貨艙

通風系統(tǒng)進行專門設計。本文通過研究艙室通風計算方法，采用CFD技術模擬貨艙通風設計方案是否滿足要求，并根據(jù)對比實船試驗數(shù)據(jù)，驗證模擬結果是否準確可靠。

圖1　某船船體結構示意圖Fig.1　The diagram of a vessel hull structure

1　某船貨艙通風分析

該船的通風區(qū)域包括起居生活處所、設備處所、危險區(qū)域和貨艙等，所用通風類型有自然通風、機械通風和空氣調(diào)節(jié)通風，針對艙室用途遵循不同原則實現(xiàn)通風目的。根據(jù)貨物運輸要求和航行區(qū)域氣候，設計要求艙外氣溫50℃以內(nèi)時，艙內(nèi)集裝箱表面溫度不超過40℃。圖2為貨艙區(qū)域分布圖，它為雙層結構，由中間艙口蓋分隔為4個獨立部分。貨艙環(huán)境控制系統(tǒng)組成包括送回風、新風鹽霧過濾、制冷降溫除濕、加熱升溫減濕、獨立淡水冷卻和監(jiān)控等分系統(tǒng)。

圖2　貨艙區(qū)域分布圖Fig.2　The profile of the cargo hold area

2　艙室通風模擬方法

2.1CFD簡介

CFD是通過數(shù)值計算和圖像解析對含有流體流動和熱量傳導等物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析，已成為暖通空調(diào)領域研究及應用的有力工具。它把時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定原則和方法建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。

CFD應用軟件較多，如Fluent，STAR－CD，Phoenics，Airpak等，其中，Airpak是專門面向HVAC領域的專業(yè)人工環(huán)境系統(tǒng)分析工具，近年來大量應用于工程流場的研究，計算超復雜空間模型的流動傳熱問題。Airpak提供強大的物理模型創(chuàng)建功能和快捷全面的網(wǎng)格處理能力，一般應用流程見圖3。首先，將各種物理模型以形象的實體模型表示，并提供物性數(shù)據(jù)庫;然后，調(diào)用Fluent軟件的處理器進行傳熱、傳質(zhì)及流體流動的計算。本文選取CFD方法對貨艙氣流組織進行數(shù)值模擬，預測艙內(nèi)空氣傳熱流動分布情況。

圖3　Airpak的應用流程Fig.3　The application procedure of Airpak

2.2艙室通風數(shù)值模擬研究

盡管CFD軟件通用性較強，但其計算結果是否可靠與使用者對計算方法的理解以及對具體問題的處理有很大關系。本文針對船舶艙室通風系統(tǒng)，建立如圖4所示的數(shù)值模擬流程。

2.2.1研究對象

首先確定研究對象，明確艙室特點、通風類別、環(huán)境條件，并指明待研究的技術指標，如室內(nèi)溫度場、速度場、空氣齡分布等。

2.2.2物理模型

根據(jù)通風系統(tǒng)特點，考慮模擬工作的復雜性及可行性、計算機內(nèi)存和計算速度等因素，在不影響計算結果的前提下，對模擬區(qū)域做適當簡化處理，建立接近于真實情況的模型，包括艙室坐標、模型尺寸、內(nèi)部布局、各類組件等。

2.2.3數(shù)學模型

Airpak在通風氣流組織方面提供強迫對流、自

然對流和混合對流模型，流固耦合模型，熱輻射模型，湍流模型等代表性算法工具。根據(jù)流體流動特性，當雷諾數(shù)大于2 000，瑞利數(shù)大于5×107時，認為流動為湍流。湍流模型較適用于船舶艙室通風模擬。

圖4　艙室通風模擬流程Fig.4　The simulation procedure of the cabin ventilation

Airpak湍流模型有4種: Indoor零方程模型、零方程模型、標準k－ε模型和RNG k－ε模型，需根據(jù)實際做出選擇。Indoor零方程模型是新的零方程模型，不但可預測室內(nèi)空氣流態(tài)(包括自然流動、機械流動、混合流動以及置換通風)、空氣溫度分布及污染物濃度;而且準確合理、簡單可靠，計算收斂速度快、收斂穩(wěn)定性好，對預測艙室內(nèi)氣流組織的效果很理想［3］。

在CFD領域中，流體流動和換熱問題的核心是求解流體控制方程。艙室通風系統(tǒng)的氣流流動為不可壓流體的定常流動，滿足質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律方程。如式(1)～式(5)所示，建立的數(shù)學模型是以N－S方程組與湍流模型為主體，再加上一些在主體方程組上補充的附加源項、附加輸運方程與關系式的附加模型［2－3］。

1)連續(xù)性方程式中，ui(i = 1，2，3)為空氣速度在x，y，z方向的分量。

2)動量方程

式中:ρ為流體密度; p為靜壓; gi為i方向的重力加速度; Fi為污染源引起的源項;為黏度;δij為應力張量;τij為常數(shù)。

3)能量守恒方程

式中: h為比焓; k為分子熱導率，kt為湍流擴散熱導率; T為流體溫度; Sh為體積熱源項; Cp為質(zhì)量定壓熱容;μt為湍流黏度; Prt為湍流普朗特常數(shù)。

2.2.4初始條件與邊界條件

根據(jù)對象特征，確立初始條件及邊界條件，若是穩(wěn)態(tài)問題，則不需初始條件。需確立的邊界條件有:風口位置，送、回風方式和參數(shù)，壁面條件，圍護結構，艙室內(nèi)溫度、相對濕度、熱源等。

2.2.5模型求解

Airpak采用CFD控制體積法(CVM，Control Volume Method)對控制模型方程進行離散化，其基本思路是將計算區(qū)域劃分為網(wǎng)格，并使每個網(wǎng)格點周圍有一個互不重復的控制體積;將待解微分方程(控制方程)對每個控制體積積分，從而得出一組離散方程。

2.2.6模擬結果與分析

物理、數(shù)學模型建立完成，在初始條件和邊界條件下，對模型網(wǎng)格化后進行數(shù)值模擬，得到氣流運動的矢量圖、溫度場和速度場分布圖等，可三維顯示流動特性，或以動畫演示非定常過程。

3　貨艙通風模擬

本船貨艙通風系統(tǒng)根據(jù)設計要求和航區(qū)氣候，估算艙室傳熱負荷、風量(式(6)和式(7) )，推算所需設備負荷及艙室通風量，匯總貨艙通風計算見表1［4－6］。

式中: Q為熱負荷，w; K為傳熱面的換熱系數(shù)，w/

m2·℃; A為傳熱面面積，m2;ΔT為傳熱面內(nèi)外表面溫差，℃。式中: V為通風量，m3/h;ρ為空氣密度，kg/m3; Cp為空氣比熱，kJ/kg·℃;ΔT2為計算送風溫差，℃。

表1　貨艙通風計算匯總Tab.1　The calculation collecting of the cargo hold ventilation

考慮船型、結構、設備市場選型及裝船要素，較多約束條件使通風設計調(diào)整空間受限，No.1貨艙(上)和No.2貨艙(上)熱負荷較大，艙內(nèi)溫度分布受風口影響小，較難實現(xiàn)預期要求，所以對這2個貨艙環(huán)境的設計方案進行模擬分析，驗證內(nèi)熱環(huán)境是否滿足需求。

圖5　No.1貨艙(上)通風物理模型Fig.5　The ventilation configuration of the No．1 cargo hold (upper)

3.1No.1貨艙(上)通風模擬

No.1貨艙(上)船首部分空艙內(nèi)設置2套獨立空調(diào)機組，通過前側艙壁將新風送入艙室，具體通風布置見圖5，為縱向通風方式。每套設置1個圓形出風口，受市場設備參數(shù)限制，選用每個風口換風量11 000 m3/h，共22 000 m3/h (＞18 000 m3/h)。由于艙內(nèi)熱負荷主要來自于上表面的日曬艙蓋，因此將送風口布置在上部，降低集裝箱上表面的溫度。送風口直徑為500 mm，送風速度為12.74 m/s;回風口位于送風口下方，直徑也是500 mm，風速均為6.2 m/s。No.1貨艙(上)實際的換氣次數(shù)為7 c/h。在送風口與回風口之間設置一個自然回風口，起到風量平衡并模擬實際運行中漏風的情況。在艙外氣溫條件最高限值時，圖6為No.1貨艙(上)集裝箱表面溫度分布模擬結果，在該方案中，集裝箱表面最高29.2℃，最低21.1℃，滿足溫度分布要求。

圖6　No.1貨艙(上)集裝箱表面溫度分布Fig.6　The temperature distribution of the container surface in the No．1 cargo hold (upper)

圖7　No.2貨艙(上)的通風配置Fig.7　The ventilation configuration of the No．2 cargo hold (upper)

送風口，右側布置2個，左側1個。同時為保證艙壁強度，將送風口開成橢圓形狀，截面積為0.161 m2，送風速度為19 m/s。回風口布置于艙壁下部，為直徑500 mm的圓形，回風速度為7.8 m/s。圖8為在艙外氣溫條件最高限值時，No.2貨艙(上)集裝箱表面溫度分布模擬結果，在該方案中，集裝箱表面最高30.3℃，最低19.5℃，滿足溫度分布要求。

圖8　No.2貨艙(上)集裝箱表面溫度分布Fig.8　The temperature distribution of the container surface in the No.2 cargo hold (upper)

4　貨艙通風效能試驗分析

結合貨艙通風模擬計算結果，分別在碼頭系泊狀態(tài)和海上航行期間進行貨艙通風系統(tǒng)效用試驗，以檢驗通風方案是否達到要求，并驗證設計的模擬方法是否可靠。試驗中3臺冷水機組全部開啟運行，結合模擬結果，多點測試集裝箱表面溫度。實船試驗時，艙外環(huán)境溫度30℃～41℃、甲板面平均溫度50℃～65℃時，艙內(nèi)集裝箱表面溫度可控制在16℃～24℃范圍內(nèi)。

圖9　No.1貨艙(上)集裝箱表面溫度分布擬合曲線Fig.9　The temperature distribution curve fitting of the container surface in the No.1 cargo hold (upper)

圖10　No.2貨艙(上)集裝箱表面溫度分布擬合曲線Fig.10　The temperature distribution curve fitting of the container surface in the No.2 cargo hold (upper)

在艙外氣溫條件相同時，模擬計算、碼頭試驗和航行試驗3種情形下No.1貨艙(上)和No.2貨艙(上)集裝箱表面溫度分布擬合曲線見圖9和圖10。在同樣艙外氣溫條件下，模擬結果和測試結果主要分布規(guī)律相同，同一測量點的試驗值與模擬值基本吻合，最大誤差約為2.5℃，兩者基本一致，驗證了該計算方法模擬貨艙內(nèi)熱環(huán)境的可信性。

5　結語

本文以某船貨艙通風系統(tǒng)為研究對象，應用CFD技術對通風設計進行分析，模擬結果表明設計滿足要求。通過實船碼頭、航行試驗，模擬結果與試驗值吻合良好，證實了模擬方法的準確可靠。本文研究表明，通過CFD模擬分析可對通風設計進行有效驗證，提高設備選型和實船配置的針對性，不僅有效地保證通風效果，還能降低系統(tǒng)建設及設備運行過程中的成本和能耗。

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作者簡介:陸洋(1978－)，男，工程師，從事船舶動力專業(yè)工作。

收稿日期:2014－05－20;修回日期: 2014－06－26

文章編號:1672－7649(2015) 07－0049－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.012

中圖分類號:U662．2

文獻標識碼:A