舰船狭长高大空间无风管诱导通风系统设计仿真分析研究

金林辉 赵 楠

（1.中国船舶及海洋工程设计研究院 上海200011；2.海装驻上海地区第八军事代表室 上海200011）

引 言

机库、车辆库等狭长高大空间作为水面舰船重要装载舱，其利用率和使用需求也在逐渐提高，因此如何有效设计水面舰船狭长高大空间通风系统，及时高效排出空间内有害或危险气体、消除通风死角、优化气流组织显得尤为重要，本文将针对这些问题展开讨论。

1 诱导通风系统技术设计仿真分析

由于无风管诱导通风系统在船舶设计中应用尚浅，还没有成熟的设计计算方法或规范可参考［1］，本文通过数值仿真手段对诱导风机出风风速、射流角度、纵向间距、横向间距及不同诱导风机组合方式对狭长高大空间内气流组织的影响开展大量仿真分析并最终得到相应建议值。考虑气流受到重力影响，数值仿真采用稳态计算方法。在单相湍流领域内，按国内外一些学者的看法［2］，可用于工程应用上的现实模拟方法是雷诺方程组与关联矩封闭方法。对于这些关联量的处理，有各种模型，如湍流粘性系数模型、代数雷诺应力模型（ASM）以及雷诺应力模型（DSM）等，而其中较常见且有效的是k-ε双方程模型和雷诺应力模型。k-ε双方程模型相对简单，使用方便且适合工程问题的研究，目前应用得最多，对其解决各种流动问题的有效性也认识得最清楚［3］。因此经多次试算分析，最终采用k-ε双方程模型进行数值仿真分析。

1.1 诱导风机射流末端风速选取

杨积波［4］指出射流中心速度为1 m/s时，实行接力较为合适；此外，陶文铨［5］也指出射流风机的射程宜按射流末端呼吸区风速为0.2～0.5 m/s设置。在最新的美国行业标准“ASHRAE 55-2013”［6］中，明确提出了在人体舒适区允许的空气速度范围：对于可控气流，速度上限为1.2 m/s；对不可控气流，空气速度上限由运行温度确定，当运行温度大于等于25.5℃时，上限为0.8 m/s。

此处考虑到人员可承受能力、外部环境以及库内工作环境的特殊性，以射流末端呼吸区风速0.5 m/s左右，且不超过1 m/s作为基准，来确定诱导风机角度和纵向间距，即在狭长高大空间1.5～2 m水平面，速度场覆盖范围内，速度0.5 m/s左右为宜。

在上述保证呼吸区合理风速条件下，风机接力的最小速度不小于0.25 m/s，即在2 m以下人员活动频繁和污染物较易堆积的区域（该空间可能产生比空气重的污染气体），最小气流速度不小于0.25 m/s。这样既保证了气流流动接力的可能性和合理性，也保证了人体的舒适性，并以此作为仿真分析的判据。

1.2 诱导风机不同出风角度对狭长高大空间内气流组织的影响

结合某船狭长高大空间的实际空间尺寸（长×宽×高= 144 m×26 m×7.1 m），以及诱导风机安装高度（约6.3 m）、单台诱导风机风量（约750 m3/h）和射流末端流速限制等情况，分别选取诱导风机出口风速为 10 m/s、12 m/s、14 m/s和射流倾角 15°、20°、25°、30°进行排列组合，最终得到不同出口流速下的最优射流倾角组合（见表1），此时末端速度在合理范围内，且可覆盖较大的面积，有利于人员的工作环境舒适，也能较好保证空间内的空气品质，使污染物不至于长时间停留在空间下部。

表1 诱导风机不同出口风速与射流倾角仿真分析工况及推荐组合

1.3 诱导风机不同纵向间距对狭长高大空间内气流组织的影响

当两台诱导风机相距太近，射流不会发展充分，作用范围会受到影响，减弱了其作用的距离，射流覆盖面积相对较小，当诱导风机距离太远时，又难以相互作用，形成良好的接力效应。因此对诱导风机不同纵向间距进行仿真分析，对比分析了纵向间距为6 m、8 m、10 m、12 m、14 m、16 m的情况，最终得到诱导风机不同出口风速与射流倾角最优组合下的最佳纵向间距如表2。图1为出口流速12 m/s、射流倾角20°组合下的最佳纵向间距仿真效果。

表2 诱导风机不同纵向间距对狭长高大空间内气流组织的影响仿真分析工况及推荐组合

图1 出口流速12 m/s、射流倾角20°组合下最佳纵向间距10 m

1.4 诱导风机不同横向间距对狭长高大空间内气流组织的影响

在双股射流理论中，双股射流按其流动特性可分为两个区，即会聚区与联合区。会聚区流动的基本特征是两股射流相互卷吸和干扰，从而使两股射流的包围区（空腔）内形成负压，最终形成两股射流相互靠近现象［7］。在诱导风机不同纵向间距仿真分析中，这种现象同样出现，且对结果有一定程度的影响。因此，对诱导风机不同横向间距进行仿真分析，对比分析了横向间距为2.5 m、3.5 m、4.5 m、5.5 m、6.5 m、7.5 m、8.5 m的情况，最终得到诱导风机不同出口风速与射流倾角最优组合下的最佳横向间距（见表3）。

表3 诱导风机不同横向间距对狭长高大空间内气流组织的影响仿真分析工况及推荐组合

从下页图2可以看出，在1.5 m高度处的水平面速度云图上，两股气流产生的尾流交界的区域越来越少直至断开，间距为6.5 m时两股气流的0.25 m/s的速度等值线交汇面积较大；横向间距为7.5 m时，0.25 m/s的速度等值线几乎分开。所以确定，两者流场0.25 m/s的等值线交汇最小且不至分离，具有最佳的接力效果，其他仿真工况同理。

为了验证此种推断的正确性，在仿真过程中引入污染物——辛烷C8H18。假设狭长高大空间底部均匀散发污染物，并将辛烷的质量分数作为一个评判指标。气体质量分数是指混合物气体中，某种物质的质量占总质量的百分比。质量分数与密度的乘积即为浓度。由于污染物量相对整个空间空气的量很小，整个空间的密度分布基本相同，差值最大不超过百分之一，所以可以用质量分数来表征该空间污染物分布情况。面（体）平均是指将整个面（体）上所有点某一参数数值之和除以该面（体）的面积（体积）所得的平均值。各参数定义为：

图2 10 m/s+20°组合下，诱导风机6.5 m和7.5 m横向间距仿真分析

式中：ω是指某污染物质量分数，%；mx是指该污染物质量，kg；m是指混合物总质量，kg。

式中：ωA指某污染物面平均质量分数，%；ωi指该平面i点处污染物质量分数，%；Ai指平面上i点所占面积，m2；A指该平面总面积，m2。

式中：ωV指某污染物体平均质量分数，%；ωi指该空间i点处污染物质量分数，%；Vi指空间内i点所占体积，m3；V指该空间总体积，m3。

边界条件为整个地面以0.01 kg/s散发质量分数为0.01的辛烷C8H18，即辛烷散发质量为0.01×0.01 = 1×10-4kg/s，结果如下页表4所示。

从表4可以看出：当射流出口速度为10 m/s、射流倾角为20°时，横向间距在5.5～6.5 m，体平均污染物质量分数相对较低；当射流出口速度为12 m/s、 射流倾角为 20°时， 横向间距在 5.5～ 6.5 m，体平均污染物质量分数相对较低；当射流出口速度为14 m/s、射流倾角为15°时，横向间距在7.5 m左右，体平均污染物质量分数相对较低。这与按照流场特性得到的诱导风机最佳横向间距仿真结果吻合。

表4 诱导风机不同出口流速和射流倾角最优组合时，不同横向间距下1.5 m水平面和整个体平均污染物质量分数对比

1.5 诱导风机不同组合对消除排出气流死角的影响

如果对整个狭长高大空间的诱导通风系统进行优化分析，工作量巨大且不易找到规律，势必会得出不合理结论，因此将狭长高大空间模型合理简化为图3所示模型。采用4个诱导风机均匀布置可较好形成环流，也可以让内部空间具有一定对称性，通过对其不同朝向组合的布置形成6种不同的诱导方式，以探索不同的诱导思路对消除气流死角的影响效果。引入辛烷作为污染物，对下页表5中的7种工况进行仿真分析。

图3 狭长高大空间简化数值模型

表5 不同诱导风机组合方式和不同诱导风机组合方式污染物分布云图

通过对比分析可以发现，case 1是整个空间气流逆时针循环的工况，相对于其他工况，使整个空间污染情况得到最优改善，这源于更多地扰动排风口附近的空气并将其诱导至排风口处。但是，上述结论不具有理论依据，说服力不够强。基于此，将模拟工况进行扩充，对case 1的工况进行分解分析，选出4种具有代表性的工况，如表6所示。可以看出，相比于Case 0，Case 10将污染气体质量分数降低效果提升了84%，比Case 1提升了25%的降低效果，由此说明Case 10的布置方式是在之前布置上的一个优化。究其原因是两者最终所形成的流场在主流的发展路线上形成了有效的导流作用，使主流有序地改变了方向，最终形成一条设计流道。这种新的活塞流通方式，可有效消除空间内的气流滞留区，及时排出空间内污染气体，如图4所示。

表6 诱导风机优化组合方式及高1.5 m水平面污染气体质量分数分布云图

图4 诱导风机作用等效果示意图

图4中，大箭头为理想情况下气流主流方向，小箭头为诱导风机作用的空气流向。

2 诱导通风系统在狭长高大空间集中通风系统中的应用分析

建立狭长高大空间满载工况数值仿真模型，如图5所示。基于上文研究成果，对狭长高大空间诱导通风系统设计方案进行优化，限于篇幅，本文不展开分析，最终效果如图6所示。

为研究诱导通风系统在狭长高大空间集中通风系统中的应用情况，选取狭长高大空间集中通风系统最典型的4种运行工况进行仿真分析，如表7所示。

图5 狭长高大空间满载工况数值模型

图6 狭长高大空间诱导风机布置优化示意图

表7 狭长高大空间集中通风与诱导通风典型运行工况

图7 不同工况与不同高度下的面平均污染物浓度

下页图7为不同工况与不同高度下的面平均污染物浓度。从中可看出，低速I在各个面的污染物平均浓度最小，虽然此时为集中通风低速运行工况，但要优于高速运转的高速I，甚至某些区域优于高速II。在污染物较高的0.5 m水平区域，高速I相对于低速I污染物浓度高了72 %，在3 m甚至高出121 %，说明诱导的作用是显著的。为更直观分析诱导通风系统对狭长高大空间集中通风系统的影响，本文将各工况仿真结果数值化，如表8所示。从表8可见：靠近底部区域诱导作用明显，且越靠近下部的区域污染物浓度越大；而加入诱导时，污染情况得到明显的改善。

表8 不同区域污染物质量分数、污染物浓度、污染物密度和空气龄

3 结 语

针对水面舰船狭长高大空间诱导通风系统技术设计，本文给出诱导风机安装高度在5.5～6.5 m范围，诱导风机出风速度10 m/s、12 m/s、14 m/s时的较优射流倾角以及纵向间距和横向间距等的推荐值和推荐组合，如表1 -表3所示。

对于传统狭长高大空间集中通风系统，单纯提高集中通风系统换气次数并不能有效改善空间气流组织形式。加入诱导通风系统后，诱导气流可以改变原流场分布，使污染区域受到更多吹吸诱导效果，污染气体更容易跟随气流排出，因此可显著改善整个空间的污染物分布情况，有效消除气流死角，能很好弥补集中通风系统不足之处。

设置诱导风机的目的是加强主气流流动。诱导风机应有利于设置通风流道，形成一种新的活塞流通方式，相对延长空气龄，改善通风效果，有利于减少污染物滞止区和通风死角。

高速集中通风工况对空间内气流扰动较大，反而会削弱诱导通风效果。在低速集中通风工况下，虽然整个空间各个点位置流速不大，但诱导通风系统吹吸区域更广，狭长高大空间内气流死角更易消除，因此更推荐低速集中通风结合诱导通风。

大型狭长高大空间加中间隔断可以有效改善狭长高大空间的通风效果。当加入隔断后，前后区换气次数相近甚至相同时，加入隔断可使面积较小的区域流场得到加强，可以抵消面积大区域带来的负面效应，使整体得到改善。但如果前后区加入隔断使换气次数相差很大，会使面积大的区域带来的负面效应无法抵消，最终整个空间污染情况变得更加恶劣。