船舶低温实验室孔板送风设计和数值模拟

陈豪 郭磊 温添

摘  要：某极地科考船舶上具有如低温实验室等对温湿度有特殊要求的舱室，其舱室空气环境设计面临很大的挑战，传统送风方式难以满足需求，在设计时考虑采用孔板送风以达到设计温度要求。文章针对孔板送风末端在船舶领域的应用经验和设计规范的缺乏等问题，在设计初始阶段采用计算流体力学方法对其进行气流组织模拟分析和优化应用研究。结果表明采用全面孔板送风形式可使该低温实验室温度达到设计要求。文章研究结果对船舶孔板送风末端的应用研究具有参考借鉴意义。

关键词：船舶舱室;低温实验室;孔板送风;计算流体力学;气流组织

中图分类号：U664         文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）24-0007-04

Abstract： The cabin of a polar scientific research ship with special requirements for temperature and humidity， such as low temperature laboratory， is facing great challenges in its cabin air environment design. Traditional air supply methods are difficult to meet the requirements. Orifice plate air supply method is considered in the design to meet the requirements. In view of the lack of experience and design specifications in the application of orifice plate air supply method in ship design field， computational fluid dynamics （CFD） method was used to simulate and optimize the air distribution in the initial stage of design. The results show that the temperature of the low temperature laboratory can meet the design requirements by adopting the full orifice plate air supply method. The research results of this paper can be used for reference in the application research of the orifice end of the ship.

Keywords： ship cabin; low temperature laboratory; orifice plate air supply; computational fluid dynamics （CFD）; air distribution

引言

船舶舱室空气环境设计是现代船舶设计和建造中的一个重要方面，船舶舱室往往具有层高较低、空间封闭和人员密集等特点，而极地科考船还对空气环境有许多特殊要求，其空调通风系统的设计面临着更大的挑战。

孔板式空调送风系统是目前广泛应用于国外豪华邮轮和客滚船公共区域的空调送风系统。根据其气流组织形式，孔板式送风又被称为“雨降式”送风，空调房间气流组织形式主要取决于送风射流，而送风口形式将直接影响气流的混合程度、出口方向与气流断面形状，对送风射流具有重要影响，在实际的工程应用中，需要根据空调精度、气流形式、送风口安装位置以及室内装修的风格配合等方面的要求，选用不同形式的送风口，送风口的种类繁多，按送出气流形式一般可分为辐射送风口、轴向送风口、线性送风口和面型送风口。对于科考船上的某些舱室，如低温实验室，由于受总体布置和结构限制，净高较低，同时为了实现低温环境，空调系统的设计风量会较大，为了获得较快的速度衰减，使舱室内获得较均匀的流型，有效降低处所内的噪声，因此采用孔板作为空调送风系统的末端。当合理选择孔板出口风速和孔板形式时，还能防止室内灰尘的飞扬而满足更高的洁净度要求。除此之外，经过合理的天花板布置以及装饰，可以让室内的人员观察不到明显的送风末端风口，不会影响该舱室整体布局的美观。

本文采用计算流体力学方法对采用孔板送风系统的低温实验室进行气流组织模拟分析和优化应用研究，验证采用孔板送风时低温实验室温度分布的均匀性，为该低温实验室的最终设计方案提供参考。

1 理论和方法

1.1 数值计算方法

本文数值模拟对湍流的处理采用基于雷诺时均方程的k-ε湍流模型，k-ε湍流模型是目前工程中使用最广泛的湍流模型，標准k-ε湍流模型引入两个额外的输运方程来描述湍流动能k和耗散率ε，k-ε方程与动量方程、能量方程、连续性方程一起构成了室内空气流动的控制方程。

流体流动遵循的控制方程可以用以下通用形式来表示[1]：

（1）

式中各项依次为瞬态项、对流项、扩散项和源项，其中，u为速度矢量;?为通用变量，分别表示动量方程中的速度u，能量方程中的温度T，体积分数方程中的C，湍流动能方程中的湍流动能K和湍流耗散方程中的耗散率ε;Γ为广义扩散系数，S为广义源项。

通过基于结构化自适应网格的有限体积法来求解雷诺时均方程，通过网格局部优化技术来适应物体边界，采用双尺度壁面函数模型来解决边界层问题，空间上采用二阶精度的差分格式，其中对流项采用迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式，时间上采用隐式欧拉格式，采用类SIMPLE方法求解速度压力耦合方程。

1.2 孔板送风设计方法

参考相关设计手册[2]，总结给出孔板送风的设计计算步骤。

（1）确定孔板送风的形式，是全面孔板还是局部孔板。

（2）确定孔板送风口的风速vS（m/s），可按下式进行计算。

低温实验室图纸如图1所示。低温实验室为上送下回的送风形式，上方为全面孔板，下方为四个回风格栅;天花板处孔板与回风道通过夹层隔板分隔，孔板与舱室绝热层之间形成了一个静压箱，根据负荷计算舱室送风量为3000m3/h，由式（12）算得静压箱高度应为350mm，但受船舶空间限制，静压箱高度为170mm，因此更有必要进行数值计算，确保方案可行性;研究表明，风管伸入静压箱时送风效果比静压箱侧送风更好[3]，同时由于船体结构限制，六个送风头只能布置在舱室天花板中间区域。根据图纸建立的数值计算模型如图2所示。

3 数值模拟

低温实验室设计条件为温度在2-10°C范围内可控，且舱室内温度与设定温度之差不超过±1°C，空调送风温度为2-10°C可调，本文进行数值计算时采用的送风温度为2°C。目前研究者针对孔板送风的数值模拟，一般不直接对实际孔板进行网格划分，而是采用各种边界条件处理对孔板进行简化，这样得到的结果与真实的孔板势必存在差异，而本文将针对实际的孔板进行网格划分，孔板局部网格如图3所示。z=1m处速度和温度云图如图4、5所示。

图4为速度云图，舱室内工作区域最大风速为0.35m/s，采用孔板式送风时可以确保较低的风速，保证舱室内工作区域风速小于0.25m/s，人员无明显吹风感，满足人体舒适度中关于空气流速的要求。图5为温度云图，舱室内工作区域平均温度为2.6°C，最低温度为2.1°C，最高温度为3.3°C，由图可以看出，只有人体附近温度较高，可以认为在工作区域内满足了舱室内温度与设定温度之差不超过±1°C的要求。

选取距横向和纵向实验台中线100mm高处（横向：y=2785mm，z=1000mm;纵向：x=5585，z=1000mm，如图6），给出相应的温度和速度随位置变化曲线，如图7和图8所示。

由图7和图8可以看出实验台工作区域温度和速度变化趋势，除壁面处由于数值计算所需设置了表面热源造成壁面附近温度较高，实验台上方随位置变化的温差保持在0.3°C以内，横向实验台上方气流速度<0.3m/s，纵向实验台气流速度<0.22m/s，实验台工作区域的温度和速度都保持在理想范围内，满足了设计要求。

4 结论

本文针对某极地科考船舶低温实验室孔板送风系统进行了设计方法介绍和数值模拟，研究结果表明孔板送风系统使舱室内平均气流速度较低、温度分布均匀，满足了对流速、温度要求较高的低温实验室的设计要求;

后续可针对以下方面进行深入研究：

（1）研究孔板厚度、孔径、孔间距对孔板送风效果的影响。

（2）结合数值计算和实际测量结果对比分析。

通过本文的研究表明，孔板送风系統可以满足低温实验室等对流速、温度要求较高舱室的设计要求。本文结果可对后续的船舶舱室孔板式送风系统应用研究提供参考和借鉴。

参考文献：

[1]陶文铨.数值传热学[M].西安：西安交通大学出版社，1989.

[2]陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[3]刘晓宇，刘冬，等.恒温恒湿立体仓库孔板送风的影响因素及参数优化[J].能源技术，2008，29（6）：381-385.