（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

艙室負(fù)荷計(jì)算是船舶空調(diào)選型的基礎(chǔ)[1]，若空調(diào)選型不當(dāng)，艙室會(huì)存在過冷或過熱現(xiàn)象，無法滿足正常的居住生活環(huán)境，同時(shí)也無法保證船舶各種設(shè)備和儀器正常運(yùn)行，更不能適應(yīng)船舶大型化后所帶來的艙室負(fù)荷不均衡現(xiàn)狀。艙室負(fù)荷計(jì)算中最關(guān)鍵也是最繁瑣的一步就是通過艙室每個(gè)壁面?zhèn)魅胂噜徟撌业呐摫趥鲗?dǎo)熱計(jì)算。

自Carrier[2]發(fā)表了溫濕度公式和絕熱飽和理論以來，國內(nèi)外學(xué)者在空調(diào)負(fù)荷計(jì)算方面進(jìn)行了大量的研究。在建筑空調(diào)領(lǐng)域，負(fù)荷計(jì)算中常采用的有當(dāng)量溫差法[3]、諧波分析法[4]、反應(yīng)系數(shù)法[5]和傳遞函數(shù)法[6]等。在船舶空調(diào)領(lǐng)域，高山[7]研究了船舶艙室冷負(fù)荷動(dòng)態(tài)計(jì)算方法，分析了艙室圍壁空氣層對(duì)艙室熱環(huán)境的影響。孫少哲等[8]提出了單艙艙容為5萬立方米的LNG船液貨圍護(hù)系統(tǒng)安裝平臺(tái)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。王洋等[9]研究了水面艦艇彈庫空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算，并開發(fā)了彈庫空調(diào)通風(fēng)計(jì)算軟件。李偉光等[10,11]以復(fù)雜船舶圍壁頻域有限差分模型為例，采用參數(shù)辨識(shí)算法構(gòu)造了圍壁的多項(xiàng)式傳熱傳遞函數(shù)。

艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算一般都是通過參照?qǐng)D紙測(cè)量計(jì)算，不僅設(shè)計(jì)效率低下，而且特別容易出錯(cuò)，誤差較大，無法滿足船舶空調(diào)負(fù)荷快速、準(zhǔn)確計(jì)算的需求。隨著船舶設(shè)計(jì)任務(wù)和復(fù)雜程度的增加，在設(shè)計(jì)過程中艙室或設(shè)備經(jīng)常發(fā)生變化，導(dǎo)致空調(diào)負(fù)荷無法滿足變更后使用要求，需要重新進(jìn)行艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算，這一過程往往會(huì)耗費(fèi)大量的人力和物力。因此，有必要實(shí)現(xiàn)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算快速化、規(guī)范化和流程化，提高船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。

1 艙室傳導(dǎo)熱模型

艙室傳導(dǎo)熱一般是指通過艙室所有艙壁和外部環(huán)境交換的熱量[12]。空調(diào)通風(fēng)、滲風(fēng)，使艙室內(nèi)空氣不斷進(jìn)行混合、熱交換和流動(dòng)，艙室內(nèi)各壁面與艙室內(nèi)外空氣不斷進(jìn)行對(duì)流換熱，則通過該艙室所有艙壁的艙室傳導(dǎo)熱可表示為：

其中：q為傳導(dǎo)熱；λ為傳導(dǎo)熱計(jì)算系數(shù)；Fi為艙室第i個(gè)艙壁與相鄰艙室之間的傳導(dǎo)熱面積；Ki為第i個(gè)艙壁傳熱系數(shù)；△Ti為第i個(gè)艙壁內(nèi)外的設(shè)計(jì)溫差。

在式(1)中，傳導(dǎo)熱系數(shù)λ、艙壁傳熱系數(shù)Fi、和設(shè)計(jì)溫差△Ti為可以查表取值，因而，只需確定各艙壁與相鄰艙室之間的傳導(dǎo)熱面積Fi即可得到艙室的傳導(dǎo)熱。

2 船舶數(shù)字總圖技術(shù)

總圖設(shè)計(jì)技術(shù)起源于建筑行業(yè)，是用于確定各種建筑物、綜合管線及交通運(yùn)輸設(shè)施的平面關(guān)系、豎向關(guān)系、空間關(guān)系及生產(chǎn)活動(dòng)有機(jī)聯(lián)系的綜合性學(xué)科[13]。隨著設(shè)計(jì)技術(shù)和理念的不斷發(fā)展和完善，總圖設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展也呈現(xiàn)出多元化的趨勢(shì)。目前總圖設(shè)計(jì)技術(shù)的使用范圍已經(jīng)不僅僅局限于建筑行業(yè)，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于市政工程、景觀園林、交通運(yùn)輸和船舶設(shè)計(jì)等工程建設(shè)的各個(gè)方面。

船舶數(shù)字總圖是指根據(jù)船舶的幾何尺度、排水量、總布置等設(shè)計(jì)條件，按照船舶總體設(shè)計(jì)要求，并通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，合理規(guī)劃甲板分層、艙室布局、建筑造型、設(shè)備布置等的平面關(guān)系、豎向關(guān)系、空間關(guān)系的，且包含相關(guān)基本屬性信息的平面圖。以船舶數(shù)字總圖中艙室曲線為例（圖1中選中虛線），該曲線包含了艙室編號(hào)、艙室名稱、艙室高度、艙底面積、艙頂面積、艙底相對(duì)下甲板位置、艙底相對(duì)下甲板偏移量、艙頂相對(duì)上甲板位置、艙頂相對(duì)上甲板偏移量等信息。

有鑒于此，在計(jì)算艙室傳導(dǎo)熱時(shí)可借助數(shù)字總圖技術(shù)來計(jì)算相鄰艙室之間的傳導(dǎo)熱面積。

3 艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算方法

艙室相鄰分為兩種：四周相鄰和上下相鄰，四周相鄰即分析同一甲板層中艙室之間的相鄰關(guān)系，上下相鄰即分析艙室與上層甲板和下層甲板艙室之間的相鄰關(guān)系。艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算的重點(diǎn)在于相鄰艙室之間的傳導(dǎo)熱面積計(jì)算，本文通過構(gòu)建最大虛擬外接圓來判斷兩艙室是否相鄰，大大提高了艙室是否相鄰的檢測(cè)速度。以圖1某型船舶數(shù)字總圖中選中艙室為實(shí)例計(jì)算艙室傳導(dǎo)熱。

圖1 某型船舶數(shù)字總圖示意圖

3.1 四周相鄰艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算

1）獲取2層甲板艙室1的曲線頂點(diǎn)坐標(biāo)信息，求出以距離最遠(yuǎn)的兩頂點(diǎn)為直徑的外接圓的圓心坐標(biāo)OP和半徑R（圖2中虛線曲線為外接圓，點(diǎn)劃線為其直徑）。

2）依次求解圓心OP至組成艙室2各段曲線的距離，若小于或等于半徑R，則表示兩艙室四周相鄰。若相鄰，依次以艙室1的所有邊為基準(zhǔn)（設(shè)圖2中單點(diǎn)劃線為艙室1第一條邊），求解其與艙室2曲線（4條邊，圖2中雙點(diǎn)劃線）所有邊的重合部分長(zhǎng)度，得到兩艙室所有邊重合長(zhǎng)度，可表示為：

圖2 艙室四周相鄰示意圖

其中，D12表示艙室1和艙室2所有邊重合部分長(zhǎng)度矩陣，dij表示艙室1第i條邊和艙室2第j條邊重合部分長(zhǎng)度，將所有重合長(zhǎng)度相加即為兩艙室艙壁重合長(zhǎng)度L12：

3）艙壁重合長(zhǎng)度L12與艙室高度h相乘即為四周相鄰兩艙室傳導(dǎo)熱面積F12：

4）結(jié)合式(1)，即可得到艙室1和艙室2的傳導(dǎo)熱：

3.2 上下相鄰艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算

1）以艙室1艙頂為基準(zhǔn)，投影至上層甲板，如圖3，獲取投影后艙室1的曲線頂點(diǎn)坐標(biāo)信息，求出以距離最遠(yuǎn)的兩頂點(diǎn)為直徑的外接圓的圓心坐標(biāo)OP和半徑R（圖3中虛線曲線為外接圓，點(diǎn)劃線為其直徑）。

圖3 艙室上下相鄰示意圖

2）依次求解圓心OP至組成艙室7各段曲線（圖3中雙點(diǎn)劃線）的距離，若小于或等于半徑R，則表示兩艙室相交。若相交，兩艙室曲線相交面積即為艙頂相鄰兩艙室傳導(dǎo)熱面積F16（圖3中黑色粗實(shí)線所圍面積）。

3）結(jié)合式(1)，即可得到艙室1和艙室6的傳導(dǎo)熱：

4）同理，以艙室1艙底為基準(zhǔn)，投影至下層甲板，依次判斷投影后艙底曲線與下層甲板艙室曲線是否相交，即可求得艙底相鄰兩艙室傳導(dǎo)熱面積，進(jìn)而計(jì)算傳導(dǎo)熱。

基于以上分析，2甲板艙室1的所有相鄰艙室傳導(dǎo)熱可表示為：

其中，q1j表示艙室1與艙室j之間的傳導(dǎo)熱面積。則圖2中所有艙室傳熱面積可表示為：

其中，qij表示艙室i與艙室j之間的傳熱面積，n為艙室個(gè)數(shù)。

4 艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算軟件開發(fā)

4.1 設(shè)計(jì)流程

基于數(shù)字總圖的艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

圖4 艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算軟件設(shè)計(jì)流程

1）通過對(duì)船舶數(shù)字總圖的分析，區(qū)分出圖中艙室曲線和甲板曲線，即哪些曲線表示艙室，哪些曲線表示甲板；

2）對(duì)艙室曲線進(jìn)行分析，分離出艙頂、艙底信息，以及艙室所屬甲板層信息；

3）判斷同層甲板中艙室之間的相鄰關(guān)系，即哪些艙室之間是四周（前后左右）相鄰；獲取上、下甲板層艙室之間的上下相鄰關(guān)系，即哪些艙室之間是艙頂或艙底相鄰的；

4）通過幾何關(guān)系計(jì)算四周相鄰、上下相鄰艙室之間重合部分艙壁面積；

5）計(jì)算艙室傳導(dǎo)熱。

4.2 開發(fā)環(huán)境

基于數(shù)字總圖的艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算軟件以AutoCAD 2006為繪圖工具，利用AutoCAD軟件內(nèi)嵌的面向?qū)ο缶幊陶Z言VBA（Visual Basic for Application）語言對(duì)其進(jìn)行了二次開發(fā)[14]，采用工具條插件形式，定制開發(fā)所需的菜單和子菜單，如圖5所示。

圖5 插件菜單圖

4.3 應(yīng)用實(shí)例

以圖1中選中艙室030311為例，經(jīng)過基于數(shù)字總圖的艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算軟件計(jì)算后，可得到與其相鄰艙室共有6個(gè)，傳導(dǎo)熱結(jié)果如圖6所示。

圖6 艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算結(jié)果

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5 結(jié)束語

本文在分析了艙室傳導(dǎo)熱模型和數(shù)字總圖技術(shù)的基礎(chǔ)上，分別研究了四周相鄰和上下相鄰兩種情況下艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算模型。設(shè)計(jì)了基于數(shù)字總圖的艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算軟件設(shè)計(jì)流程，采用VBA編程語言，在AutoCAD平臺(tái)開發(fā)了基于數(shù)字總圖的艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算軟件，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了應(yīng)用。該方法可較大程度地提升艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算效率和精確度，為船舶行業(yè)艙室傳導(dǎo)熱計(jì)算提供了一種快速化、規(guī)范化和流程化的計(jì)算方法。

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