新型封闭式桅杆空调系统数值仿真及实验验证

陈红超，宋靠华，李栋，王吉

中国舰船研究设计中心，上海201108

0 引 言

由于现代舰船的作战和使用需要，新型桅杆中集中布置了大量的电子设备，比如电子机柜、通信导航机柜等。同时考虑到电磁屏蔽和隐身要求，原本布置在桅杆的外壁和支架的电子设备，都密集布置在桅杆的封闭空间内，导致发热量很大。对于新型桅杆发热量大，且必须满足温湿度控制的要求等特点，简单的通风换热方式已经无法胜任，温度过高会降低电子元器件的工作效率，在规定范围外温度每增加10 ℃，其工作效率约下降2%；温度过低会导致设备无法运行以及机械结构的硬化和脆化［1］。如何在桅杆中相对较小的封闭空间内营造设备所需的热环境，从而使设备能最大程度地发挥其功能，成为桅杆空调系统的关键技术。因此，开展对新型桅杆的高热流密度空间的空调系统设计分析研究，使桅杆内密闭空间的电子机柜、设备、人员能正常有效地工作，为我国水面舰船设备集成化提供可靠的环境系统支持具有重要意义。

1 新型桅杆空调系统方案设计和研究方法

1.1 新型桅杆环境要求

某试验用新型桅杆分为4 层：第1 层属于通风区，第2～4 层属于空调区（图1），该桅杆集中布置了大量的电子设备。为了保证电子机柜的正常运行，各层温度需要控制在一定范围内，参照数据中心主要温度的控制要求［2］，第1 层的温度需控制在35 ℃以下，第2～4 层温度需控制在27 ℃以下。通过计算各层的热流密度（表1），可以看出舱室第2层和第3 层的热流密度超过180 kcal/（h·m2），其中设备发热量是舱室负荷的主要来源。第2～3 层总设备发热量占整个舱室冷负荷的70%以上，远超过了水面舰船一般电子机柜舱室的热流密度值，如果不及时将高密度的热量消除，将造成电子设备工作空间的热环境恶化，严重影响甚至损坏电子设备的正常运行。

表1 各层舱室和设备的热流密度Tab.1 Heat flux density of each layer and cabin equipment

1.2 新型桅杆空调系统设计方案

基于以上分析，拟采用3 种方案对新型桅杆的环境进行控制：方案1 是在第1 层布置1 台直冷式循环通风装置，并分层布置风管，即采取上送下回式通风；方案2 是采用冷水机组和风机盘管形式，即在桅杆的第1～4层分层配置风机盘管；方案3是在各分层布置立柜式空调机。江亿等［3-5］采用独立温湿度控制的循环通风装置可以有效控制高热流密度数据机房的温湿度，因而采用直冷式循环通风装置通风是一个比较可行的方式。比较方案2 和方案3，都是目前较常用的处理船用高热流密度舱室的通风方法，其气流组织方式相似，但是比较风机盘管所需的冷媒水和立柜式空调机所需的冷却海水的供应，由于冷却海水从底舱分散输送至各层，压力损耗比较大，且各层配置柜机占地空间比较大，因而方案2 优于方案3。比较方案1和方案2，其气流组织方式不同，由于桅杆内设备发热量比较大，气流组织不同对桅杆内的温度分布影响较大。

计算各层负荷进行相应的空调系统设计，具体配置见表2。为了更直观地对比方案1 和方案2，取方案2 配置的风机盘管效能等效成方案1的循环通风装置的效能，即假设各层风机盘管的送风量与直冷式循环通风装置的送风量相当，送风温度也相等，取14 ℃。

表2 方案选型配置表Tab.2 Scheme selection

1.3 新型桅杆物理和数学模型

借助CFD 可以很好地模拟空调通风的气流组织，董玉平等［6-10］应用CFD 准确模拟了空调通风的热环境控制问题，本文拟采用CFD 来对新型桅杆的气流组织进行模拟。

通过简化模型，剔除掉影响桅杆内热分布小的因素，建立桅杆1∶1 物理模型，并进行以下3 点假设：

1）省略空调出口到各层间的送风管，由各层风管入口直接送入空调风；

2）循环通风装置的回风口可以等效成一个通风出口（600 mm×600 mm）；

3）桅杆内各台设备散热形式等效成设备顶部的散热面散热。

建立方案1 和方案2 的物理模型（图2～图3）。

图2 桅杆风管布置模型Fig.2 The air duct layout model

图3 桅杆风机盘管布置模型Fig.3 The fan coil layout model

仿真模型的数学物理方程如下。

连续性方程：

式中：ρ 为空气密度；u，v，w 分别为x，y，z 方向上的气流速度；t 为时间。

动量守恒方程：

式中：p 为压强；cp为比热容；T 为温度；k 为流体的传热系数；ST为流体的内热源，即粘性耗散项；g 为重力加速度。

空调通风流场属于强制对流场，空调通风都属于小温差的流动，对密度的处理选用Boussinesq模型可以达到很高的精度，另本湍流模型中选用低雷诺数模型k-ε 模型，该模型不仅对于近壁面的高热流量梯度与近壁面函数一样有很好的适应性，而且在湍流区与标准k-ε 一样有很高的精度［11］。夏季时桅杆的表面温度可达50 ℃，由于桅杆空调通风气流与桅杆内表面存在辐射和对流换热2 种换热方式，故壁面选用对流和外部辐射混合边界条件。模型网格划分全部采用结构性网格，计算区域通量采用二阶迎风格式。综上所述，选取2种方案的送风量和送风温度相同，2 种模型具体的边界条件如表3 所示。

表3 边界条件Tab.3 Boundary conditions

2 方案对比分析

基于上述仿真模型，计算夏季工况条件下桅杆空调区的温度场，先观察各个典型切面在桅杆各个位置的分布（图4），分别为第1～4 层的顶部平面（距甲板面50 mm）和2 个垂直中剖面图，由于热气流向上运动，顶部的温度相对较高，可以客观地反映舱室的排风温度。

图4 桅杆内总温度云图Fig.4 The contours of total temperature in the mast

现分别观察2 种方案下各个切面的温度分布。图5 为第1～4 层顶部平面温度分布图（图中空缺部分表示温度超出对照的最高温度；其中图5（f）整体温度都超过对照图，应全部为空缺显示，为了便于观察全部用对照色最高温度显示），图6 为中纵剖面温度分布图。从图5（a）、图5（c）、图5（e）和图5（g）中的温度分布可以看出，采用循环通风方式的第1 层整体温度都在27 ℃左右，靠近空调器回风口的温度偏高，在30 ℃左右，计算面平均温度为27.6 ℃；第2 层顶部平面温度分布比较均匀；第3 层顶部虽然平均温度为28.8 ℃，满足将温度控制在27±2 ℃的设计要求，但平面温度分布很不均匀，局部高温超过32 ℃，分析其原因是机柜处的热流密度比较大，局部高达2 100 W/m2，并且靠近发热机柜顶部，在设计时可以适当加大此处送风量。

图5 第1～4 层顶部平面温度分布云图Fig.5 The temperature contours of ceiling from floor one to floor four

从图6（a）和图6（c）可以看出，中纵平面热分布沿高度方向分布比较均匀。对比风机盘管通风方式，图5（b）、图5（d）、图5（f）和图5（h）中，各层顶部平面温度分布极不均匀，局部靠近壁面和设备顶部出现超过52 ℃的高温，可能由于风机盘管对角布置，靠近边壁的设备气流组织不均匀；从第3 层平面图可以更明显地看出，整个顶部平面的温度都在32 ℃以上，平均温度为39.1 ℃，显然不符合设计要求，同时从图6（b）和图6（f）这2 个中纵平面图也可以看出各层沿高度方向温度分布也极其不均，整个顶部平面的温度都在32 ℃以上。

图6 中纵剖面温度分布图Fig.6 The temperature contours of longitudinal section

图7 为采用循环通风和风机盘管2 种通风方式各层的温度分布。从图7 可以看出，除第1 层温度相当外，第2 层到整体采用风机盘管通风方式的温度分布都高于采用空调循环通风方式的温度分布，其中第3 层甚至高出10.3 ℃，比循环通风方式高出35.8%；另外，采用风机盘管通风方式的整体平均温度比循环通风方式的整体平均温度高3.5 ℃（12.7%）；从图6 中纵剖面温度分布图可以看出，采用循环通风方式比采用风机盘管通风方式在整个空间的温度分布更均匀。以设计时的27 ℃为基准，计算2 种通风方式各层平均温度的均方差分别为1.65 和25.2，可见采用循环通风方式的各层平均温度方差比采用风机盘管通风方式的方差更小。综上所述，采用空调循环通风方式明显优于采用风机盘管方式。

图7 2 种通风方式的各层温度分布Fig.7 The temperature distribution of fan coil ventilation and circulation ventilation

3 仿真结果验证

通过综合分析，本文选用了空调循环通风方案，并实测一组桅杆内的环境温度进行验证。桅杆内布置12 个温度传感器，2 个信号采集模块，1个环境监测装置，图8 为桅杆环境监测系统示意图。信号采集模块用于采集温度信号并将温度信号传输给环境监测装置，环境监测装置记录各层的温度数据和设备运行参数。在各层顶部不同位置布置3 个温度传感器，传感器避免布置在设备正上方或气流扰动比较大的地方。图9 为现场温度传感器，图10 为各层温度传感器分布图，其中单位为mm。记录桅杆的空调循环通风装置的技术参数：送风温度17.7 ℃，回风温度21.5 ℃，外界温度22.3 ℃。当各层的温度趋于稳定时，记录各层传感器数据（表4）。从表4 中可以看出第1～4层的平均温度分别为25.0，27.0，25.5，22.2 ℃（保留一位小数）。通过FLUENT 软件仿真，计算出第1～4 层顶部平面（距甲板50 mm）的温度，对比实测的温度和CFD 仿真温度（图11）。从图11可以看出各层的实测温度和仿真相当，整体平均温度相差0.65 ℃，整体相对误差为2.6%。可见实测数据很好地验证了仿真结果的可靠性。

图8 环境监测系统示意图Fig.8 Schematic diagram of environmental monitoring system

图9 温度传感器Fig.9 Temperature sensor

图10 各层温度传感器分布图Fig.10 Distribution of temperature sensors

表4 各层温度记录表Tab.4 Temperature records for each layer

图11 桅杆内实测和仿真温度对比Fig.11 Measured temperature versus simulation temperature

4 结 论

本文主要通过分析新型桅杆内热负荷分布，设计了3 种环境控制方案，重点对比分析了循环通风方案和风机盘管通风方案在桅杆中的热分布情况，同时通过实测数据验证了桅杆空调通风的数学仿真模型。通过对比分析，发现对于桅杆的环境控制采用空调循环通风的方式优于采用风机盘管的通风方案，在控制多层高热流密度桅杆的温度时，具有以下优势：

1）可消除设备发热量，明显降低舱内平均温度。

2）有效促进舱内气流混合，使桅杆内的气流分布更均匀。

3）灵活布置风管，解决舱内发热设备分布不均的问题。

本文建立的新型桅杆仿真模型可以较准确地预测桅杆热分布状况，可以应用于桅杆的空调系统优化设计，对提高我国水面舰船新型桅杆环境控制技术具有重要的参考价值。

［1］钱晓栋，李震.数据中心空调系统节能研究［J］.暖通空调，2012，42（3）：91-96.QIAN Xiaodong，LI Zhen. Energy saving research on air conditioning system in data centers［J］. Heating Ventilating and Airconditioning，2012，42（3）：91-96.

［2］钟景华，朱利伟，曹播，等.新一代绿色数据中心的规划与设计［M］.北京：电子工业出版社，2010.

［3］江亿.温湿度独立控制空调系统［M］.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［4］张涛，刘晓华，赵康，等.温湿度独立控制空调系统应用性能分析［J］.建筑科学，2010，26（10）：146-150.

［5］刘晓华，谢晓云，刘拴强，等.温湿度独立控制空调系统及其性能分析［J］.供热制冷，2008（7）：22-26.LIU Xiaohua，XIE Xiaoyun，LIU Shuanqiang，et al.Performance analysis on temperature and humidity in⁃dependent control air-conditioning system［J］. Heating and Refrigeration，2008（7）：22－26.

［6］董玉平，由世俊，汪洪军，等.高大空间建筑空调气流CFD 模拟研究［J］.河北建筑科技学院学报，2003，20（3）：23-27.DONG Yuping，YOU Shijun，WANG Hongjun，et al.CFD simulation and study on air flow in large space building［J］. Journal of Hebei Institute of Architectural Science and Technology，2003，20（3）：23-27.

［7］赵彬，林波荣，李先庭，等.室内空气分布的预测方法及比较［J］.暖通空调，2001，31（4）：82-86.ZHAO Bin，LIN Borong，LI Xianting，et al. Compari⁃son of methods for predicting indoor air distribution［J］.Heating Ventilating and Airconditioning，2001，31（4）：82-86.

［8］赵彬，李莹，李先庭，等.人民大会堂大礼堂空调气流组织现状的数值模拟分析与改进［J］.建筑热能通风空调，2000，19（4）：5-8.ZHAO Bin，LI Ying，LI Xianting，et al. Numerical analysis and improvement of air flow pattern for the great hall of the people［J］. Building Energy and Envi⁃ronment，2000，19（4）：5-8.

［9］龚光彩，汤广发.高大空间纵向隔断气流的数值仿真［J］.湖南大学学报：自然科学版，1999，26（1）：66-71.GONG Guangcai，TANG Guangfa. Numerical simula⁃tion of the vertical-partition air-flow in large space building［J］. Journal of Hunan University：Naturnal Science，1999，26（1）：66-71.

［10］龚光彩.CFD 技术在暖通空调制冷工程中的应用［J］.暖通空调，1999，29（6）：25-27.GONG Guangcai. Application of CFD methods in the HVAC engineering field［J］. Heating Ventilating and Airconditioning，1999，29（6）：25-27.

［11］周华，孙为民，徐丽，等.FLUENT 全攻略［M/OL］.流体中文网，2005.［2014-05-20］. http：//www.cfluid.com/forum.php.