多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型在船舶艙室污染物傳播研究中的應(yīng)用

余 濤，周愛(ài)民，沈旭東

(武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢430064)

0 引 言

船舶艙室環(huán)境質(zhì)量是船員賴(lài)以生存的前提保障，實(shí)測(cè)表明，船舶艙室內(nèi)部污染源眾多，污染物成分復(fù)雜，空氣品質(zhì)(indoor air quality，IAQ)不佳［1-3］。而空氣品質(zhì)控制最佳策略的制定前提是對(duì)污染物的分布和傳播進(jìn)行合理預(yù)測(cè)。因此，深入研究污染物在船舶艙室的傳播情況，有著極為重要的實(shí)際意義。

船舶艙室污染物的傳播包括污染物在各個(gè)區(qū)域內(nèi)的傳播，以及污染物隨艙室機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)管路，在各個(gè)艙室之間的傳播。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)對(duì)船舶艙室污染物傳播的研究主要采用集總模型，利用污染物質(zhì)量守恒求解分析［4-5］。該類(lèi)研究將船舶艙室作為整體或認(rèn)為船舶各區(qū)域的通風(fēng)量已知，不考慮不同區(qū)域間的通風(fēng)、滲透等對(duì)污染物傳播的影響。

近年來(lái)，國(guó)外嘗試?yán)枚鄥^(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型研究船舶艙室污染物傳播［6］。多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型充分考慮復(fù)雜污染源匯、氣流等多種因素的相互作用，可有效預(yù)測(cè)艦船艙室污染物濃度的長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化和區(qū)域之間的相互影響［7-8］。但國(guó)內(nèi)未見(jiàn)該方法應(yīng)用于艦船領(lǐng)域的相關(guān)報(bào)道。

本文利用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型研究分析典型工況下船舶艙室污染物傳播情況，對(duì)改善船舶艙室空氣品質(zhì)有一定的指導(dǎo)作用。

1 多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型

多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型的研究起步于20世紀(jì)80年代末，該方法從宏觀角度進(jìn)行研究，把整個(gè)區(qū)域群體作為一個(gè)系統(tǒng)，把各區(qū)域作為控制體，用實(shí)驗(yàn)得出的經(jīng)驗(yàn)公式反映區(qū)域之間支路的阻力特征，利用質(zhì)量、能量守恒等方程對(duì)整個(gè)艙室的空氣流動(dòng)、壓力分布進(jìn)行研究［8］。主要基于以下2 點(diǎn)假設(shè):

1)將各區(qū)域視為節(jié)點(diǎn)，在同一時(shí)刻同一節(jié)點(diǎn)內(nèi)認(rèn)為空氣溫度、密度、壓力和污染物濃度等均勻一致，即所謂的集總參數(shù)描述;

2)空氣流經(jīng)的每一個(gè)區(qū)域間開(kāi)口用風(fēng)阻表示。這樣，每個(gè)風(fēng)阻與相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)模型，如圖1所示。

圖1 多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型原理示意圖Fig.1 Schematic of multi-zone network model

1.1 數(shù)學(xué)描述

假設(shè)整個(gè)多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)由N+1 個(gè)節(jié)點(diǎn)和B 條通風(fēng)支路構(gòu)成?？諝庠趨^(qū)域之間的流動(dòng)滿(mǎn)足定常流伯努利方程，各節(jié)點(diǎn)內(nèi)空氣滿(mǎn)足質(zhì)量守恒定律，支路之間的壓差由支路之間的阻力特征和高差決定，從而得到N 個(gè)方程和B 個(gè)未知數(shù)，如下所示:

式中A 為網(wǎng)絡(luò)關(guān)聯(lián)矩陣。各個(gè)元素aij的定義為:

式中:F 為支路空氣流量矩陣;P 為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)靜壓;ΔP 為支路兩端壓差;S 為支路阻力系數(shù);ΔH 為支路垂直高度等造成的壓差。

污染物傳播遵循質(zhì)量守恒定律，即給定容積內(nèi)的污染物質(zhì)量增量等于污染物產(chǎn)生量減去污染物去除量:

式中:V 為區(qū)域的體積;C(t)為t 時(shí)刻區(qū)域內(nèi)的某污染物濃度;Q(t)為t 時(shí)刻從區(qū)域j 流入?yún)^(qū)域i，或區(qū)域i 流入?yún)^(qū)域j 的空氣流量;S(t)為t 時(shí)刻區(qū)域中某污染物的散發(fā)速率;R(t)為t 時(shí)刻區(qū)域中某污染物的消除或反應(yīng)轉(zhuǎn)化速率。

通過(guò)聯(lián)立求解上述方程組，即可得到某時(shí)刻各個(gè)支路的流量和各節(jié)點(diǎn)的污染物濃度。

當(dāng)艙室與周?chē)目諝饬魍▋H能通過(guò)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)或門(mén)時(shí)，通過(guò)測(cè)量艙室的送回風(fēng)量，即可獲取通過(guò)門(mén)縫等進(jìn)出艙室的空氣流量，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化模型。

1.2 污染物源/匯模型

為了預(yù)測(cè)室內(nèi)污染物濃度，需要準(zhǔn)確模擬室內(nèi)污染物的散發(fā)和消除。目前，污染物散發(fā)模型有經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蛡髻|(zhì)模型［10-12］兩類(lèi)。其中，傳質(zhì)模型數(shù)學(xué)描述復(fù)雜，難以在復(fù)雜區(qū)域的模擬中應(yīng)用，故當(dāng)前對(duì)污染物散發(fā)的模擬多采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。? 列出了部分常用的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

表1 常用污染物散發(fā)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚑ab.1 Common contaminants emission models

2 模型在船舶艙室污染物傳播中的應(yīng)用

以下針對(duì)船舶艙室通風(fēng)、空調(diào)與凈化系統(tǒng)運(yùn)行的不同情形，應(yīng)用多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型，分析其污染物傳播特性。

2.1 艙室模型和參數(shù)

1)艙室劃分為4 個(gè)區(qū)域，艙室模型如圖2所示;

2)艙室中某污染物初始濃度為0，由于艙室特性的不同，污染物散發(fā)濃度也不同，如表2所示;

3)區(qū)域Ⅰ、Ⅳ與其他區(qū)域僅通過(guò)空調(diào)系統(tǒng)連接;區(qū)域Ⅱ內(nèi)無(wú)回風(fēng)管，通過(guò)連通區(qū)域Ⅲ的門(mén)上的格柵排風(fēng);區(qū)域Ⅲ無(wú)空調(diào)送風(fēng)，僅有回風(fēng);

4)空調(diào)系統(tǒng)送回風(fēng)量為950 m3/h，新風(fēng)中污染物濃度為0，根據(jù)ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)［13］設(shè)定初始新風(fēng)比為20%;

5)空調(diào)系統(tǒng)對(duì)某污染物的凈化效率為0;

6)區(qū)域Ⅱ中含1 臺(tái)凈化風(fēng)量為50 m3/h，凈化效率為90%的局部?jī)艋O(shè)備，該設(shè)備根據(jù)區(qū)域污染情況，可間歇或連續(xù)運(yùn)行。

圖2 某船舶艙室簡(jiǎn)化示意圖Fig.2 Schematic of a ship cabin

表2 某船舶艙室的基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of a ship cabin

2.2 新風(fēng)量對(duì)污染物分布的影響

工況1:空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，不開(kāi)啟區(qū)域Ⅱ中的局部?jī)艋O(shè)備時(shí)，艙室污染物濃度隨時(shí)間的變化如圖3所示。

艙室各區(qū)域的污染物濃度均隨時(shí)間逐漸升高，在4 h 后趨于穩(wěn)定。此時(shí)區(qū)域的污染物濃度從高到低依次為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ。

圖3 工況1Fig.3 The first condition

工況2:工況1 下各區(qū)域污染物濃度達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量不變，但送風(fēng)改為全新風(fēng)，艙室污染物濃度隨時(shí)間的變化如圖4所示。

此時(shí)，艙室各區(qū)域污染物濃度均迅速降低，在0.5 h 后趨于穩(wěn)定，此時(shí)區(qū)域的污染物濃度從高到低依次為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ。

圖4 工況2Fig.4 The second condition

工況3:空調(diào)系統(tǒng)風(fēng)量不變，改變送風(fēng)中的新風(fēng)比例，艙室各區(qū)域污染物達(dá)到平衡時(shí)的濃度Cm隨新風(fēng)比例的變化如圖5所示。

圖5 工況3Fig.5 The third condition

新風(fēng)比例由10%增大至100%時(shí)，艙室各區(qū)域污染物平衡濃度Cm在初期降低明顯，當(dāng)新風(fēng)比例大于40%后，降低趨勢(shì)放緩。

同時(shí)，隨著新風(fēng)比例的增大，各個(gè)區(qū)域達(dá)到平衡濃度所需時(shí)間明顯縮短，如圖6所示。

圖6 工況3(區(qū)域Ⅱ不同新風(fēng)百分比的污染物濃度變化)Fig.6 The third condition(Zone Ⅱ)

2.3 局部?jī)艋O(shè)備對(duì)污染物分布的影響

工況4:空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)開(kāi)啟區(qū)域Ⅱ中的局部?jī)艋O(shè)備時(shí)，艙室污染物濃度隨時(shí)間的變化如圖7所示。

艙室各區(qū)域的污染物濃度隨時(shí)間逐漸升高，在4 h 后趨于穩(wěn)定，此時(shí)區(qū)域的污染物濃度從高到低依次為Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅳ＞Ⅰ。

相比工況1，達(dá)到平衡時(shí)，該情形下各個(gè)區(qū)域的污染物濃度均有一定程度的降低，其中區(qū)域Ⅱ的污染物濃度降低最為明顯。

圖7 工況4Fig.7 The forth condition

工況5:區(qū)域Ⅱ中局部?jī)艋O(shè)備連續(xù)運(yùn)行，但其風(fēng)量可調(diào)，且效率不變時(shí)，艙室污染物達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的濃度Cm隨局部?jī)艋O(shè)備風(fēng)量的變化如圖8所示。

局部?jī)艋O(shè)備風(fēng)量較小時(shí)，區(qū)域Ⅲ的污染物穩(wěn)態(tài)濃度Cm最高。隨著凈化風(fēng)量的增大，各區(qū)域的污染物穩(wěn)態(tài)濃度Cm均降低，其中區(qū)域Ⅱ和Ⅲ降低更為明顯。這是由于局部?jī)艋O(shè)備顯著降低了區(qū)域Ⅱ的污染物濃度。區(qū)域Ⅱ中污染物濃度的降低，一方面降低了向區(qū)域Ⅲ滲風(fēng)的污染物濃度，從而導(dǎo)致區(qū)域Ⅲ的污染物濃度同步降低;另一方面，區(qū)域Ⅱ的污染物濃度降低，減少了空調(diào)系統(tǒng)回風(fēng)中的污染物濃度，從而降低了空調(diào)系統(tǒng)向各個(gè)區(qū)域送風(fēng)中的污染物濃度。

當(dāng)凈化風(fēng)量較大之后，各區(qū)域的污染物穩(wěn)態(tài)濃度下降趨勢(shì)趨緩，此時(shí)，區(qū)域Ⅱ的污染物濃度已經(jīng)較低，艙室污染物主要來(lái)自其他區(qū)域，這時(shí)區(qū)域Ⅱ中局部?jī)艋O(shè)備的凈化風(fēng)量不是影響艙室污染物濃度分布的主要因素。

圖8 工況5Fig.8 The fifth condition

2.4 分析與討論

綜合上述幾類(lèi)情形，可得以下結(jié)論:

1)針對(duì)單位面積散發(fā)污染物濃度高的區(qū)域(區(qū)域Ⅱ，折算到每立方的污染物散發(fā)量為2.5×10-6m3/h)，合理配置局部?jī)艋O(shè)備，可有效降低高污染區(qū)域的污染物濃度，同時(shí)降低艙室其他區(qū)域的污染物濃度;

2)空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量直接影響艙室污染物濃度，全新風(fēng)時(shí)艙室各區(qū)域污染物濃度顯著低于最小新風(fēng)量時(shí)。且在新風(fēng)量較小時(shí)，增大新風(fēng)量可明顯降低艙室污染物濃度;但新風(fēng)量較大后，新風(fēng)量的變化對(duì)艙室污染物濃度變化影響不明顯;

3)局部?jī)艋O(shè)備性能直接影響所在區(qū)域和艙室整體的污染物濃度，凈化設(shè)備效率恒定時(shí)，隨著凈化風(fēng)量增大，各區(qū)域濃度先顯著降低，后逐漸趨緩。

因此，針對(duì)船舶艙室，應(yīng)根據(jù)污染物散發(fā)情況，合理配置新風(fēng)量，以達(dá)到污染物濃度與船舶其他功能需求之間的平衡。同時(shí)，可在污染物濃度較高的局部區(qū)域，加裝局部?jī)艋O(shè)備，降低艙室污染物濃度。但局部?jī)艋O(shè)備的加裝需綜合考慮區(qū)域污染情況和凈化設(shè)備體積、功率等方面的平衡，當(dāng)凈化設(shè)備性能達(dá)到一定水平后，盲目增大凈化設(shè)備性能，對(duì)艙室污染物濃度改善提升不明顯。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文將多區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型引入船舶艙室污染物傳播研究領(lǐng)域。分析表明，利用該模型可以有效預(yù)測(cè)船舶艙室污染物傳播情況，指導(dǎo)通風(fēng)、空調(diào)和凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)節(jié)。特別是針對(duì)由眾多艙室組成的大型船舶，通過(guò)該方法預(yù)測(cè)艙室污染物傳播情況，可為改善船舶艙室空氣品質(zhì)提供有效指導(dǎo)。

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