南极磷虾船货舱流场和温度场数值模拟

王 朋

（上海和创船舶工程有限公司，上海 200126）

南极磷虾资源具有巨大的开发和利用潜力，积极参与南极磷虾渔业开发，可有效促进我国远洋渔业的发展[1]。综合考虑经济节能等问题，建议采用较低的温度（-30 ℃及以下）冻藏可以最大限度保持南极磷虾的品质[2]。我国极地渔业起步较晚，南极磷虾的加工能力与质量不高成为我国南极磷虾捕捞的一大瓶颈[3]。南极磷虾船货舱的快速冷冻能力在南极磷虾的加工流程中显得极为重要。现阶段南极磷虾船货舱内气流布局存在不合理，造成货舱温度场不均匀、耗能高等缺陷。一般采用直接试验的方法测量货舱内部冷空气流场数据，再根据测量数据来改进货舱流场设计。计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD） 是基于计算机技术的一种数值计算工具，用于求解流体的流动和传热问题[4]。近年来，随着计算机性能的提升，CFD 应用在冷库温度场的研究技术越来越成熟，CFD 具有诸多优势，相对试验而言所耗费的建造成本和验证周期得到极大的缩短[5-6]。20世纪70 年代CFD 首先出现于美国，而实际进行较广泛的商业使用则是在近几年。随着CFD 学科的蓬勃发展，CFD 商业软件也应运而生。目前CFD 软件群已经作为处理各种复杂流体流动和传热等问题的强大软件，成功运用在航天设计、汽车设计和船舶设计等诸多工程技术科研领域。在CFD 软件的基础上设计的Fluent软件，从使用者的需求视角考虑，用以应对不同类型的复杂流动问题，Fluent 软件群使用了与众不同的技术和方法，以便于在特定的技术应用领域中使计算速度、安全性和准确度等方面获得最佳结合，以便于高质量地处理各个方面的复杂流体计算问题。CFD 模拟方法可有效分析船舶舱室内热环境[7]，用于了解船舶货舱的通风情况。

CFD 是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型独立学科，其基本原理就是对流体流动的控制方程进行数值解析，得出流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。数值模拟通常包含以下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化[8]。目前，CFD 数值模拟已被国内外学者广泛运用到冷库和船舶货舱流场的研究。2007 年，安毓辉等[9]通过对装载风冷式冷藏集装箱货舱内气流的CFD 模拟计算和实例验证，了解货舱内气流流场的变化情况，对送风和抽风两种模式在货舱温度场、速度场、气流分布不均匀系数、排热效率和通风阻力等各方面进行了比较分析，提出了优化设计的建议。2009 年，孔丁峰等[10]对集装箱船货舱内气流的速度场进行数值模拟，提出了优化通风量的建议。2010 年，胡耀华等[11]以一间装配式冷库为研究对象，用CFD 技术模拟了冷风机出风口布置和货物的堆放方式对冷库温度场和流场的影响，并提出对冷风机的安装位置和货物的摆放方式的优化建议。同年，HO S H 等[12]建立某冷藏库的三维模型与等效的二维模型，对其内部气流及传热等进行数值模拟，研究发现，通过使用更高的吹风速度或将冷却装置放置在更低、更靠近产品包装阵列的位置，可以实现制冷空间更好的冷却效率和温度均匀性。2011 年，钟晓晖等[13]建立一个小型冷库模型，用CFD 仿真技术模拟了冷库内部启动机组遇冷下库内流场和温度场，提出风速越大，预冷效果越好。2013 年，AKDEMIR S 等[14]建立了不同冷库的CFD 模型，对比后发现有制冷空调系统的冷库流场分布比较好。2020 年，黄海啸等[15]以某型满足ABSIRCC-SP 符号冷藏集装箱船的货舱通风系统为研究对象，运用CFD 方法进行通风系统分析，可以清晰地了解流场分布、通风阻力和风量分配等信息，以此评估通风方案的优劣，并指导优化设计。2021 年，马志艳等[16]以吊顶式小型冷库为研究对象，对冷库预冷时风机的不同摆放位置下库内温度场的降温特性、流场的流动曲线进行深入研究，模拟实验揭示了风机不同摆放位置下此小型冷库预冷的变化状态，并提出风机与门相对布置最优。

通过上述综述可以发现，国内学者对南极磷虾船货舱流场的研究相对较浅且缺乏比较系统的实验论证。国外因南极磷虾船技术封锁，大多研究对象为冷库，针对南极磷虾船货舱流场的数值模拟基本没有公开的参考文献。南极磷虾大多采用船上低温运输，然而，在储藏、流通过程中，由冷冻储藏设备故障导致冷冻温度变化的情况并不少见[17]。由此可见，一个可靠的南极磷虾船冷冻货舱在南极磷虾的储藏和加工环节中显得尤为重要。为设计合理的南极磷虾船货舱流场，基于国内外现有的研究成果，本文主要以南极磷虾船冷冻货舱为研究目标，此冷冻舱共有两个设计亮点：①将盘管设置在冷风机的出口处，并在冷风机室的部分位置设置回风格栅；②在货舱地板表层设有很多与通风出口相通的小孔。采用CFD 软件对该货舱的流场、温度场进行数值模拟，根据模拟结果，找出货舱通风较差的位置，通过调整该位置的挡风板和通风入口面积对货舱进行优化，并进行实体模型验证实验，验证货舱管路铺设方案的可行性，为后续南极磷虾船货舱流场设计优化提供参考。

1 研究对象和目标

1.1 舱室模型

根据实际工程图纸整理的南极磷虾船货舱的各参数如表1 所示，根据货舱尺寸，在Solidworks 2018 软件中建立货舱几何模型，其中包括货舱舱壁、挡风条、通风地板、挡风板、立柱和管路等结构，如图1 所示。货舱上下空间通过通风地板上的若干通风小孔上下贯通，建立货舱地板下方挡风板布置和管路铺设模型如图2 所示，货舱空舱时风机冷空气流动示意图如图3 所示。

图1 货舱模型

图2 货舱通风地板下方挡风板布置和管路铺设模型

图3 空舱冷空气流动示意图

表1 货舱参数表

1.2 问题分析

现阶段我国所使用的南极磷虾船大多为国外的二手船[17]。我国南极磷虾产业起步晚，科研主体小，基础研究薄弱，尚未掌握船上加工的核心技术[18]。南极磷虾船货舱经常出现由于流场布置不合理，导致温度场不均匀、耗能高等问题。国内外在南极磷虾船设计之初针对货舱流场完整的数值模拟成果较少。因此，本文主要研究了南极磷虾船货舱设计之初，其管路铺设、挡风板设计位置，以及通风入口面积对货舱流场的影响，并通过优化挡风板设计位置和通风入口面积解决了因管路遮挡导致的货舱流场设计不合理的难题。

2 计算模型的建立

2.1 数学模型

本研究主要是基于流场分析，“RNG k-ε”湍流模型在空调、船舶通风流场分析等工程中应用较多，所以本研究采用“RNG k-ε”湍流模型，并做出以下假设。

（1）选择流体介质属性为空气，比热为1 kJ/（kg·℃），导热系数为0.023 W/（m·℃），密度为1.29 kg/m3。

（2）货舱内空气马赫数较低，其密度变化也很低，所以默认空气在变化的过程中，密度基本不变，符合Boussinesq 假设。

（3）通风入口速度简化为均匀出风。

在以上假设的前提下，在直角坐标系下联立流体力学三大方程和“k-ε”两方程作为计算方程组。其中，动量守恒方程见式（1）。

式中，ρ 为流体密度；t 为时间；v 为速度矢量；ϕ 为通用变量（如速度、温度等）；Γ 为广义扩散系数；S 为广义源项。

质量守恒方程见式（2）。

式中，ρ 为流体密度；t 为时间；u 为速度矢量。采用有限体积法对上述控制方程离散求解。本文在传热方面主要考虑牛顿冷却定律，其公式如下。

式中，q 为热流密度；h 为物质的对流传热系数；Φ 为传热功率（单位时间内通过传热面的热量）；A 为传热面积；t 为时间。

2.2 网格划分

该货舱网格总数量为7.81 × 106，先将货舱整个空间分为3 个部分（图4）。在ICEM CFD 软件中定义货舱每个部分的网格大小，自动生成四面体网格；对每个空间内的网格进行单独划分，货舱空间、货舱通风地板上方和下方空间，以及通风小孔的网格分布情况如图4 至图7 所示。其中通风地板上方网格总数为5.43×106，通风地板下方网格总数为

图4 货舱空间分割图

图5 通风地板上方网格分布图

图6 通风地板下方网格分布图

图7 通风小孔网格分布图

2.3 边界条件设置

（1）将冷空气入口设为速度入口边界，速度大小为空气流量与出口面积的比值，货舱流量为96 000 m3/h。回风口设置为压力出口边界，二者温度设置为-35 ℃。合并两个相邻空间的面，设为interface，空气能够自由穿过。

（2）近壁处理引入标准壁函数，壁面条件采用对流热传导边界条件，壁面材料按照实际采用的材料输入，各舱壁热力学参数如表2 所示。关于热力学参数，如果实际温差大于所给工况，在速度场不变情况下，舱壁传热量增加，冷却速度受影响，放缓速度随温差改变程度而变。

表2 货舱各壁面的热力学参数

2.4 网格无关性验证

为了排除网格密度对货舱流场和温度场计算结果的影响，对货舱进行网格无关性验证，3 组不同密度的网格分别命名为mesh-coarse、mesh-medium和mesh-fine，货舱网格尺寸逐渐减小25%，对应网格数量分别为2.8 × 106、5.48 × 106和9.74 × 106。并在货舱中任意设置4 个监测点，各监测点数据如表3 所示。2.12×106，通风地板开孔和远端通风处网格总数为2.6×105。

从表3 数据可以看出，各监测点速度及温度变化不大，表明上述划分的网格密度并不会影响货舱内空气流场和温度场的计算结果。

表3 各监测点数据

3 数值模拟与优化

3.1 通风地板上方空间模拟结果

首先将上节的计算模型导入Fluent 软件，用SIMPLE 算法对压力和速度进行耦合。采用标准初始化方法，进行计算，直到计算收敛后，模拟结束，处理结果。本次计算主要针对空舱情况，要求空舱状态下货舱的温度能达到设计温度-35 ℃。先对货舱地板上方空间H =3.50 m（0.5 倍货舱高度）剖面和船舱中纵剖面的流场和温度场进行数值模拟，以H=3.50 m（0.5 倍货舱高度）剖面为例，如图8 所示。

图8 H=3.50 m（0.5 倍货舱高度）剖面（从左往右依次为速度场、温度场。）

从图8 可看出货舱上部空间部分区域存在送风死角，温度场大体趋于均匀，由于冷空气入口在货舱地板下方，所以重点分析通风地板下方的流场和温度场。

3.2 通风地板下方空间优化前后对比

根据计算结果对通风地板下方送风死角和温度场较高的位置进行调整，调整方式有两种：①增加通风入口面积，调整入口通风速度，其中送风速度在整个入口内均匀送风；②调整地板下方挡风板，使冷空气能够流入低速区域，通风入口无法吹过的区域，建立挡板引导冷空气流过。通风地板下方调整前后模型和优化前后的流场和温度场如图9 至图11 所示。

图9 修改前后模型（左为修改前，右为修改后。）

图10 流场分布（左为修改前，右为修改后。）

图11 温度场分布（左为修改前，右为修改后。）

由图9 至图11 计算结果可以看出，调整后，通风地板下方空气的速度场和温度场有了很大的改进，通风入口的增加，使挡风板间的风速下降，除个别狭窄区域，风速基本下降到5 m/s。同时，舷侧管道较多的区域进入了大量的冷空气，管道缝隙内和挡板撤掉位置流场得到了很好的改善。流场的改进带动温度场的优化，未优化前，管路遮挡的区域温度比其他区域高2～3 ℃，优化后，该区域温度与其他位置相同。结果表明此次调整起到了很好的优化作用。

3.3 优化后货舱关键平面数值模拟

经过上节通风地板下挡风板布置和通风入口面积的优化工作，货舱内的空气流动和温度场分布变得更为合理。本节给出优化后货舱内关键平面的压力场、速度场和温度场信息。其中货舱所观察的剖面为H=0.18 m（地板下管路轴线高度）、H=3.50 m（0.5 倍货舱高度）、船舱中纵剖面和地板开孔中间剖面。如图12 和图13 所示，剖面图以H =0.18 m剖面与H=3.50 m 剖面为例。

由图12 和图13 可以看出：

图12 H=0.18 m（地板下管路轴线H）剖面结果（从上往下依次为压力场、速度场、温度场。）

图13 H=3.50 m（地板下管路轴线H）剖面结果（从上往下依次为压力场、速度场、温度场。）

（1）由于整个货舱内的空间由通风小孔上下连通，因此货舱内的压力变化并不大，整体气压都接近大气压强；货舱地板下方虽然结构复杂，压强分布稍有不同，但相差很小，差值均在30 Pa 以内。

（2）货舱速度场经过优化，通风地板下空气流动比较均匀，货舱风速均控制在要求范围内；通风地板上货舱风速较为均匀，通风地板开孔内风速在4 m/s 左右。

（3）货舱温度场经过优化，货舱温度能达到冷空气设计温度；通风地板上方空间温度较为平均。

3.4 温度场云图单位换算

本计算中温度场的云纹图数值均采用开尔文温度值，其与摄氏温度的数值有如下转换关系。

式中，T 表示开尔文温度；t 表示摄氏度。

3.5 实验值验证

为验证货舱空舱时冷冻能力的可靠性，在出风口处布置测点，编号为TS1～TS4，在舱内中部上下不同位置布置测点，编号为TS5～TS12，如图14 所示，进行实测验证。并给出货舱在南极磷虾船中的实际位置，如图15 所示。

图14 TS 监控点示意图

图15 货舱实际位置图

通过实验得出货舱8 月某时刻实测温度如表4所示。根据表4 数据可知货舱实际达到稳定设计温度（-35 ℃）的时间大约在23 ∶28。再通过软件模拟计算得出该时刻各测点达到的模拟温度如表5 所示。表4 和表5 中的结果表明最终货舱达到稳定温度时的模拟数据与实测数据吻合良好，均符合设计要求。

表4 货舱8 月21—22 日截取时段实测数据表单位：℃

表5 货舱23：28 时刻各测点模拟数据表单位：℃

4 货舱满舱流动模拟

4.1 满舱冷空气流动结果

对货舱满舱流动进行数值模拟，货舱满舱模型如图16 所示，为模拟最不利的情况，找出货舱中冷空气流动相对较差的位置，对0.5 倍货舱高度位置截面处远风端、舷侧和近风端流动情况进行分析，发现舷侧位置的通风情况比较差，如图17 所示。近通风孔舱壁处相对流速较高，达到3～5 m/s，该处通风较好，同时近端舱壁温度较低，传热较少，因此该位置货物容易冷藏；远端虽然相对风速较低，但也能保持2～4 m/s 的风速，且通风面积大，因此保持了较高的流量；舷侧位置相对风速稍低，舷侧风速为1～3 m/s。

图16 货舱满舱模型

图17 货舱满载后舷侧流场分布图

4.2 货舱满舱冷却过程分析

为分析南极磷虾船货舱的冷冻能力，挑选4.1节中通风最为不利的位置，对满舱情况下货物的冷却过程进行CFD 模拟，货舱由-33 ℃冷却到-35 ℃，舱内放入冻虾大货包，其比热为1.84 kJ/（kg·℃），导热系数为1.67 W/（m·℃）。进行满舱模拟时，冻虾大货包堆放在单一货物最上方的边缘位置。对货舱冻虾大货包由-33 ℃冷却到-35 ℃的冷却过程进行分析，冻虾大货包分布位置和冷却过程如图18所示，图中分别展示0 min、20 min、40 min 和60 min时的冻虾大货包温度场的变化，观察截面为冻虾大货包1/2 高度处的水平剖面。通过CFD 模拟，得到了南极磷虾船货舱的冷却过程，图18 中的4 个红色方块为-33 ℃的冻虾标准尺寸大货包，其冷却假定仅依靠外部和顶部两个面来进行热传递，从图中可以看出其冷却过程是由外向内逐渐变化。当大货包进入货舱20 min 后，整体温度已经接近-35 ℃。1 h 后，大货包温度已经达到货舱设计温度。从最不利情况下的冻虾大货包的冷却过程可以看出，南极磷虾船货舱的冷冻能力是可靠的。

图18 货舱冻虾大货包冷却过程

5 结 论

本文以南极磷虾船货舱为研究对象，通过对比挡风板设计位置和通风面积优化前后的货舱空舱冷冻效果，解决了货舱管路遮挡问题，并综合考虑在通风相对较差的位置对冻虾大货包进行冷却过程的模拟，得出以下几个结论。

（1）南极磷虾船货舱在未改进之前，模拟结果表明货舱通风地板下方的确存在部分位置的冷空气流场分布不合理，管路遮挡的区域温度比其他区域高2～3 ℃。通过对该位置挡风板和通风面积进行调整，货舱的流场和温度场趋于稳定均匀，除个别狭窄区域，风速基本下降到5 m/s，货舱的冷却温度能在规定时间内达到设计温度-35 ℃。对于由管路遮挡导致船舶货舱内流场不稳定的问题的解决，研究证明该优化方案是有效的。同时，该货舱的管路铺设方案经过设计参数的优化后也是可行的，对后续南极磷虾船货舱流场的升级优化提供一定的参考。

（2）当大货包进入货舱20 min 后，整体温度已经接近-35 ℃。1 h 后，大货包温度已经达到货舱设计温度。从最不利位置的冷却过程可以看出，货舱冷冻能力是可靠的。美中不足的是缺乏磷虾大货包实验样本，本文在满舱货物冷却过程的分析中缺少模拟结果与实际实验结果的对比分析，这将在后面的工作中进一步研究。

（3）传统测流场的方法误差大，耗时多，运用CFD 模拟技术弥补了传统试验方法的不足，对于解决南极磷虾船货舱流场设计难题具有实质性意义。国内外针对南极磷虾船货舱流场系统的数值模拟比较少，本文的模拟思路主要是通过寻找货舱的流动差（流场差），从而发现货舱温度场不均匀处，辐射等影响因素对南极磷虾船货舱温度场的影响有待进一步研究。本文所用方法和思路可为后续学者优化南极磷虾船货舱流场设计提供一定的参考。