金林輝 趙 楠

（1.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011；2.海裝駐上海地區(qū)第八軍事代表室 上海200011）

引 言

機庫、車輛庫等狹長高大空間作為水面艦船重要裝載艙，其利用率和使用需求也在逐漸提高，因此如何有效設(shè)計水面艦船狹長高大空間通風系統(tǒng)，及時高效排出空間內(nèi)有害或危險氣體、消除通風死角、優(yōu)化氣流組織顯得尤為重要，本文將針對這些問題展開討論。

1 誘導(dǎo)通風系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計仿真分析

由于無風管誘導(dǎo)通風系統(tǒng)在船舶設(shè)計中應(yīng)用尚淺，還沒有成熟的設(shè)計計算方法或規(guī)范可參考［1］，本文通過數(shù)值仿真手段對誘導(dǎo)風機出風風速、射流角度、縱向間距、橫向間距及不同誘導(dǎo)風機組合方式對狹長高大空間內(nèi)氣流組織的影響開展大量仿真分析并最終得到相應(yīng)建議值。考慮氣流受到重力影響，數(shù)值仿真采用穩(wěn)態(tài)計算方法。在單相湍流領(lǐng)域內(nèi)，按國內(nèi)外一些學(xué)者的看法［2］，可用于工程應(yīng)用上的現(xiàn)實模擬方法是雷諾方程組與關(guān)聯(lián)矩封閉方法。對于這些關(guān)聯(lián)量的處理，有各種模型，如湍流粘性系數(shù)模型、代數(shù)雷諾應(yīng)力模型（ASM）以及雷諾應(yīng)力模型（DSM）等，而其中較常見且有效的是k-ε雙方程模型和雷諾應(yīng)力模型。k-ε雙方程模型相對簡單，使用方便且適合工程問題的研究，目前應(yīng)用得最多，對其解決各種流動問題的有效性也認識得最清楚［3］。因此經(jīng)多次試算分析，最終采用k-ε雙方程模型進行數(shù)值仿真分析。

1.1 誘導(dǎo)風機射流末端風速選取

楊積波［4］指出射流中心速度為1 m/s時，實行接力較為合適；此外，陶文銓［5］也指出射流風機的射程宜按射流末端呼吸區(qū)風速為0.2～0.5 m/s設(shè)置。在最新的美國行業(yè)標準“ASHRAE 55-2013”［6］中，明確提出了在人體舒適區(qū)允許的空氣速度范圍：對于可控氣流，速度上限為1.2 m/s；對不可控氣流，空氣速度上限由運行溫度確定，當運行溫度大于等于25.5℃時，上限為0.8 m/s。

此處考慮到人員可承受能力、外部環(huán)境以及庫內(nèi)工作環(huán)境的特殊性，以射流末端呼吸區(qū)風速0.5 m/s左右，且不超過1 m/s作為基準，來確定誘導(dǎo)風機角度和縱向間距，即在狹長高大空間1.5～2 m水平面，速度場覆蓋范圍內(nèi)，速度0.5 m/s左右為宜。

在上述保證呼吸區(qū)合理風速條件下，風機接力的最小速度不小于0.25 m/s，即在2 m以下人員活動頻繁和污染物較易堆積的區(qū)域（該空間可能產(chǎn)生比空氣重的污染氣體），最小氣流速度不小于0.25 m/s。這樣既保證了氣流流動接力的可能性和合理性，也保證了人體的舒適性，并以此作為仿真分析的判據(jù)。

1.2 誘導(dǎo)風機不同出風角度對狹長高大空間內(nèi)氣流組織的影響

結(jié)合某船狹長高大空間的實際空間尺寸（長×寬×高= 144 m×26 m×7.1 m），以及誘導(dǎo)風機安裝高度（約6.3 m）、單臺誘導(dǎo)風機風量（約750 m3/h）和射流末端流速限制等情況，分別選取誘導(dǎo)風機出口風速為 10 m/s、12 m/s、14 m/s和射流傾角 15°、20°、25°、30°進行排列組合，最終得到不同出口流速下的最優(yōu)射流傾角組合（見表1），此時末端速度在合理范圍內(nèi)，且可覆蓋較大的面積，有利于人員的工作環(huán)境舒適，也能較好保證空間內(nèi)的空氣品質(zhì)，使污染物不至于長時間停留在空間下部。

表1 誘導(dǎo)風機不同出口風速與射流傾角仿真分析工況及推薦組合

1.3 誘導(dǎo)風機不同縱向間距對狹長高大空間內(nèi)氣流組織的影響

當兩臺誘導(dǎo)風機相距太近，射流不會發(fā)展充分，作用范圍會受到影響，減弱了其作用的距離，射流覆蓋面積相對較小，當誘導(dǎo)風機距離太遠時，又難以相互作用，形成良好的接力效應(yīng)。因此對誘導(dǎo)風機不同縱向間距進行仿真分析，對比分析了縱向間距為6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m的情況，最終得到誘導(dǎo)風機不同出口風速與射流傾角最優(yōu)組合下的最佳縱向間距如表2。圖1為出口流速12 m/s、射流傾角20°組合下的最佳縱向間距仿真效果。

表2 誘導(dǎo)風機不同縱向間距對狹長高大空間內(nèi)氣流組織的影響仿真分析工況及推薦組合

圖1 出口流速12 m/s、射流傾角20°組合下最佳縱向間距10 m

1.4 誘導(dǎo)風機不同橫向間距對狹長高大空間內(nèi)氣流組織的影響

在雙股射流理論中，雙股射流按其流動特性可分為兩個區(qū)，即會聚區(qū)與聯(lián)合區(qū)。會聚區(qū)流動的基本特征是兩股射流相互卷吸和干擾，從而使兩股射流的包圍區(qū)（空腔）內(nèi)形成負壓，最終形成兩股射流相互靠近現(xiàn)象［7］。在誘導(dǎo)風機不同縱向間距仿真分析中，這種現(xiàn)象同樣出現(xiàn)，且對結(jié)果有一定程度的影響。因此，對誘導(dǎo)風機不同橫向間距進行仿真分析，對比分析了橫向間距為2.5 m、3.5 m、4.5 m、5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m的情況，最終得到誘導(dǎo)風機不同出口風速與射流傾角最優(yōu)組合下的最佳橫向間距（見表3）。

表3 誘導(dǎo)風機不同橫向間距對狹長高大空間內(nèi)氣流組織的影響仿真分析工況及推薦組合

從下頁圖2可以看出，在1.5 m高度處的水平面速度云圖上，兩股氣流產(chǎn)生的尾流交界的區(qū)域越來越少直至斷開，間距為6.5 m時兩股氣流的0.25 m/s的速度等值線交匯面積較大；橫向間距為7.5 m時，0.25 m/s的速度等值線幾乎分開。所以確定，兩者流場0.25 m/s的等值線交匯最小且不至分離，具有最佳的接力效果，其他仿真工況同理。

為了驗證此種推斷的正確性，在仿真過程中引入污染物——辛烷C8H18。假設(shè)狹長高大空間底部均勻散發(fā)污染物，并將辛烷的質(zhì)量分數(shù)作為一個評判指標。氣體質(zhì)量分數(shù)是指混合物氣體中，某種物質(zhì)的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比。質(zhì)量分數(shù)與密度的乘積即為濃度。由于污染物量相對整個空間空氣的量很小，整個空間的密度分布基本相同，差值最大不超過百分之一，所以可以用質(zhì)量分數(shù)來表征該空間污染物分布情況。面（體）平均是指將整個面（體）上所有點某一參數(shù)數(shù)值之和除以該面（體）的面積（體積）所得的平均值。各參數(shù)定義為：

圖2 10 m/s+20°組合下，誘導(dǎo)風機6.5 m和7.5 m橫向間距仿真分析

式中：ω是指某污染物質(zhì)量分數(shù)，%；mx是指該污染物質(zhì)量，kg；m是指混合物總質(zhì)量，kg。

式中：ωA指某污染物面平均質(zhì)量分數(shù)，%；ωi指該平面i點處污染物質(zhì)量分數(shù)，%；Ai指平面上i點所占面積，m2；A指該平面總面積，m2。

式中：ωV指某污染物體平均質(zhì)量分數(shù)，%；ωi指該空間i點處污染物質(zhì)量分數(shù)，%；Vi指空間內(nèi)i點所占體積，m3；V指該空間總體積，m3。

邊界條件為整個地面以0.01 kg/s散發(fā)質(zhì)量分數(shù)為0.01的辛烷C8H18，即辛烷散發(fā)質(zhì)量為0.01×0.01 = 1×10-4kg/s，結(jié)果如下頁表4所示。

從表4可以看出：當射流出口速度為10 m/s、射流傾角為20°時，橫向間距在5.5～6.5 m，體平均污染物質(zhì)量分數(shù)相對較低；當射流出口速度為12 m/s、 射流傾角為 20°時， 橫向間距在 5.5～ 6.5 m，體平均污染物質(zhì)量分數(shù)相對較低；當射流出口速度為14 m/s、射流傾角為15°時，橫向間距在7.5 m左右，體平均污染物質(zhì)量分數(shù)相對較低。這與按照流場特性得到的誘導(dǎo)風機最佳橫向間距仿真結(jié)果吻合。

表4 誘導(dǎo)風機不同出口流速和射流傾角最優(yōu)組合時，不同橫向間距下1.5 m水平面和整個體平均污染物質(zhì)量分數(shù)對比

1.5 誘導(dǎo)風機不同組合對消除排出氣流死角的影響

如果對整個狹長高大空間的誘導(dǎo)通風系統(tǒng)進行優(yōu)化分析，工作量巨大且不易找到規(guī)律，勢必會得出不合理結(jié)論，因此將狹長高大空間模型合理簡化為圖3所示模型。采用4個誘導(dǎo)風機均勻布置可較好形成環(huán)流，也可以讓內(nèi)部空間具有一定對稱性，通過對其不同朝向組合的布置形成6種不同的誘導(dǎo)方式，以探索不同的誘導(dǎo)思路對消除氣流死角的影響效果。引入辛烷作為污染物，對下頁表5中的7種工況進行仿真分析。

圖3 狹長高大空間簡化數(shù)值模型

表5 不同誘導(dǎo)風機組合方式和不同誘導(dǎo)風機組合方式污染物分布云圖

通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，case 1是整個空間氣流逆時針循環(huán)的工況，相對于其他工況，使整個空間污染情況得到最優(yōu)改善，這源于更多地擾動排風口附近的空氣并將其誘導(dǎo)至排風口處。但是，上述結(jié)論不具有理論依據(jù)，說服力不夠強?；诖?，將模擬工況進行擴充，對case 1的工況進行分解分析，選出4種具有代表性的工況，如表6所示。可以看出，相比于Case 0，Case 10將污染氣體質(zhì)量分數(shù)降低效果提升了84%，比Case 1提升了25%的降低效果，由此說明Case 10的布置方式是在之前布置上的一個優(yōu)化。究其原因是兩者最終所形成的流場在主流的發(fā)展路線上形成了有效的導(dǎo)流作用，使主流有序地改變了方向，最終形成一條設(shè)計流道。這種新的活塞流通方式，可有效消除空間內(nèi)的氣流滯留區(qū)，及時排出空間內(nèi)污染氣體，如圖4所示。

表6 誘導(dǎo)風機優(yōu)化組合方式及高1.5 m水平面污染氣體質(zhì)量分數(shù)分布云圖

圖4 誘導(dǎo)風機作用等效果示意圖

圖4中，大箭頭為理想情況下氣流主流方向，小箭頭為誘導(dǎo)風機作用的空氣流向。

2 誘導(dǎo)通風系統(tǒng)在狹長高大空間集中通風系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

建立狹長高大空間滿載工況數(shù)值仿真模型，如圖5所示。基于上文研究成果，對狹長高大空間誘導(dǎo)通風系統(tǒng)設(shè)計方案進行優(yōu)化，限于篇幅，本文不展開分析，最終效果如圖6所示。

為研究誘導(dǎo)通風系統(tǒng)在狹長高大空間集中通風系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，選取狹長高大空間集中通風系統(tǒng)最典型的4種運行工況進行仿真分析，如表7所示。

圖5 狹長高大空間滿載工況數(shù)值模型

圖6 狹長高大空間誘導(dǎo)風機布置優(yōu)化示意圖

表7 狹長高大空間集中通風與誘導(dǎo)通風典型運行工況

圖7 不同工況與不同高度下的面平均污染物濃度

下頁圖7為不同工況與不同高度下的面平均污染物濃度。從中可看出，低速I在各個面的污染物平均濃度最小，雖然此時為集中通風低速運行工況，但要優(yōu)于高速運轉(zhuǎn)的高速I，甚至某些區(qū)域優(yōu)于高速II。在污染物較高的0.5 m水平區(qū)域，高速I相對于低速I污染物濃度高了72 %，在3 m甚至高出121 %，說明誘導(dǎo)的作用是顯著的。為更直觀分析誘導(dǎo)通風系統(tǒng)對狹長高大空間集中通風系統(tǒng)的影響，本文將各工況仿真結(jié)果數(shù)值化，如表8所示。從表8可見：靠近底部區(qū)域誘導(dǎo)作用明顯，且越靠近下部的區(qū)域污染物濃度越大；而加入誘導(dǎo)時，污染情況得到明顯的改善。

表8 不同區(qū)域污染物質(zhì)量分數(shù)、污染物濃度、污染物密度和空氣齡

3 結(jié) 語

針對水面艦船狹長高大空間誘導(dǎo)通風系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計，本文給出誘導(dǎo)風機安裝高度在5.5～6.5 m范圍，誘導(dǎo)風機出風速度10 m/s、12 m/s、14 m/s時的較優(yōu)射流傾角以及縱向間距和橫向間距等的推薦值和推薦組合，如表1 -表3所示。

對于傳統(tǒng)狹長高大空間集中通風系統(tǒng)，單純提高集中通風系統(tǒng)換氣次數(shù)并不能有效改善空間氣流組織形式。加入誘導(dǎo)通風系統(tǒng)后，誘導(dǎo)氣流可以改變原流場分布，使污染區(qū)域受到更多吹吸誘導(dǎo)效果，污染氣體更容易跟隨氣流排出，因此可顯著改善整個空間的污染物分布情況，有效消除氣流死角，能很好彌補集中通風系統(tǒng)不足之處。

設(shè)置誘導(dǎo)風機的目的是加強主氣流流動。誘導(dǎo)風機應(yīng)有利于設(shè)置通風流道，形成一種新的活塞流通方式，相對延長空氣齡，改善通風效果，有利于減少污染物滯止區(qū)和通風死角。

高速集中通風工況對空間內(nèi)氣流擾動較大，反而會削弱誘導(dǎo)通風效果。在低速集中通風工況下，雖然整個空間各個點位置流速不大，但誘導(dǎo)通風系統(tǒng)吹吸區(qū)域更廣，狹長高大空間內(nèi)氣流死角更易消除，因此更推薦低速集中通風結(jié)合誘導(dǎo)通風。

大型狹長高大空間加中間隔斷可以有效改善狹長高大空間的通風效果。當加入隔斷后，前后區(qū)換氣次數(shù)相近甚至相同時，加入隔斷可使面積較小的區(qū)域流場得到加強，可以抵消面積大區(qū)域帶來的負面效應(yīng)，使整體得到改善。但如果前后區(qū)加入隔斷使換氣次數(shù)相差很大，會使面積大的區(qū)域帶來的負面效應(yīng)無法抵消，最終整個空間污染情況變得更加惡劣。