局部射流送風(fēng)對(duì)船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)分析

劉亞琴，劉喜元

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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局部射流送風(fēng)對(duì)船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)分析

劉亞琴，劉喜元

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：采用海水冷卻,結(jié)合外界新風(fēng)的方法設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)，通過(guò)利用局部射流送風(fēng)技術(shù)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。建立三維模型，利用Airpark軟件對(duì)優(yōu)化前、后的機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果表明，利用射流通風(fēng)冷卻裝置進(jìn)行局部射流送風(fēng)，能夠起到減少艙室風(fēng)管布置，改善艙室氣流組織，降低局部高溫的作用。

關(guān)鍵詞：通風(fēng)系統(tǒng)；機(jī)艙；局部射流；數(shù)值模擬

動(dòng)力艙通風(fēng)系統(tǒng)主要為動(dòng)力艙創(chuàng)造合適的大氣環(huán)境，改善操作人員的工作條件；帶走發(fā)熱設(shè)備的發(fā)熱量，確保艙內(nèi)設(shè)備的正常工作溫度。隨著新一代艦船的發(fā)展，新型艦船動(dòng)力艙內(nèi)設(shè)備越來(lái)越多，設(shè)備布置越發(fā)擁擠，發(fā)熱量總量增加，總體空間資源越發(fā)緊張，而用戶對(duì)機(jī)艙通風(fēng)的效果要求又越來(lái)越高，采用目前三種常規(guī)動(dòng)力艙通風(fēng)方式[1]很難很好地解決動(dòng)力艙通風(fēng)問(wèn)題，通風(fēng)效果也難以達(dá)到用戶要求，迫切需要進(jìn)一步提高改善。管路的射流送風(fēng)系統(tǒng)能夠有效解決狹小機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)問(wèn)題[2]，但同時(shí)存在高壓離心風(fēng)機(jī)的噪聲問(wèn)題[3]。為此，考慮通過(guò)增加新型射流送風(fēng)式冷卻裝置，利用局部射流送風(fēng)，改進(jìn)動(dòng)力艙內(nèi)的氣流組織，減少風(fēng)管路設(shè)計(jì)，并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)改進(jìn)前、后進(jìn)行對(duì)比分析。

1數(shù)學(xué)模型

1.1初始工況

按照通風(fēng)結(jié)合冷卻的方式設(shè)計(jì)動(dòng)力艙通風(fēng)系統(tǒng)。設(shè)艙室外環(huán)境溫度為35 ℃，經(jīng)由新風(fēng)風(fēng)機(jī)抽入艙室內(nèi)。計(jì)算風(fēng)機(jī)溫升約2 ℃，送入的新風(fēng)溫度為37 ℃。艙室設(shè)計(jì)溫度45 ℃。根據(jù)艙室總發(fā)熱量，配置兩臺(tái)循環(huán)通風(fēng)裝置，單臺(tái)循環(huán)通風(fēng)裝置制冷量為30 kW，循環(huán)風(fēng)量約10 000 m3/h。經(jīng)循環(huán)通風(fēng)裝置處理后的送入艙室的空氣溫度約為34 ℃。外界新風(fēng)量設(shè)計(jì)為9 000 m3/h，機(jī)械排風(fēng)量為11 000 m3/h。通風(fēng)系統(tǒng)基本參數(shù)見(jiàn)表1[4]。

艙室外海水溫度為32 ℃，所有艙壁以導(dǎo)熱方式向外界散熱。艙室內(nèi)有一定數(shù)量的發(fā)熱裝置向室內(nèi)散熱。

艙室左舷設(shè)有一臺(tái)循環(huán)通風(fēng)裝置進(jìn)行內(nèi)循環(huán)，供應(yīng)兩層的送風(fēng)，送風(fēng)出口溫度為34 ℃。左舷還設(shè)置一臺(tái)排風(fēng)機(jī)，排風(fēng)量為11 000 m3/h。艙室右舷同時(shí)設(shè)有一臺(tái)室外送風(fēng)機(jī)和一臺(tái)室內(nèi)循環(huán)通風(fēng)裝置，上層風(fēng)管總出風(fēng)量9 000 m3/h(由室外環(huán)境空氣引入)，送風(fēng)出口溫度為37 ℃。

艙室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)工況是數(shù)值模擬的依據(jù)，按設(shè)計(jì)方案計(jì)算艙室內(nèi)的溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)。

表1　初始工況通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2優(yōu)化工況

為減小艙室內(nèi)的風(fēng)管，通過(guò)降低循環(huán)通風(fēng)裝置的制冷量，由30 kW降為20 kW，使循環(huán)通風(fēng)裝置的送風(fēng)風(fēng)量降至5 500 m3/h，循環(huán)通風(fēng)裝置設(shè)備外形尺寸得到相應(yīng)減小，節(jié)省空間。增配2臺(tái)射流通風(fēng)裝置，分左右舷布置，采用吊頂布置方式，盡量利用設(shè)備頂部空間，提高空間的利用率。射流通風(fēng)裝置設(shè)5個(gè)噴口向室內(nèi)射流，其總送風(fēng)量為3 500 m3/h，每臺(tái)制冷量為10 kW，送風(fēng)出口溫度約34 ℃，外形如圖1所示。三維計(jì)算模型見(jiàn)圖2。通風(fēng)系統(tǒng)基本參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1　射流通風(fēng)裝置外形

圖2　計(jì)算模型

室外溫度/℃室內(nèi)溫度/℃新風(fēng)送風(fēng)溫度/℃風(fēng)量/(m3·h-1)循環(huán)通風(fēng)裝置送風(fēng)溫度/℃風(fēng)量/(m3·h-1)射流通風(fēng)裝置送風(fēng)溫度/℃風(fēng)量/(m3·h-1)排風(fēng)風(fēng)量/(m3·h-1)354537900034550034350011000

2數(shù)值模擬

使用Gambit建立機(jī)艙的幾何模型，采用混合網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。利用Airpark數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬，送風(fēng)口設(shè)置為速度邊界條件。機(jī)艙內(nèi)設(shè)備發(fā)熱量共計(jì)為80 kW，根據(jù)每臺(tái)設(shè)備的發(fā)熱量計(jì)算結(jié)果，平均分配到設(shè)備外表面，設(shè)置設(shè)備表面的平均熱流密度[5]。

3計(jì)算結(jié)果分析

3.1初始工況

矩形凸緣間網(wǎng)通風(fēng)口作為基本通風(fēng)口，對(duì)初始工況進(jìn)行計(jì)算分析。

3.1.1艙室內(nèi)溫度分布

艙室內(nèi)部分送風(fēng)口出口溫度為34 ℃，部分送風(fēng)口出口溫度為37 ℃，送風(fēng)溫度較高，室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為45 ℃。初始工況下，艙室內(nèi)典型平面處的溫度分布狀態(tài)見(jiàn)圖3。各截面的平均溫度均小于設(shè)計(jì)溫度，可以保證艙室內(nèi)動(dòng)力設(shè)備安全運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖3　艙室內(nèi)溫度分布

計(jì)算結(jié)果表明，上下層格柵之間區(qū)域內(nèi)溫度較高，但下層格柵的下方溫度相對(duì)較低。這是因?yàn)辇X輪裝置工作時(shí)產(chǎn)生大量的熱，散發(fā)于空氣中，而相對(duì)于冷空氣而言，熱空氣密度較小，所以其周圍的空氣受熱上升，積聚于艙室頂部，室內(nèi)垂直截面表現(xiàn)出明顯的溫度分層現(xiàn)象。各典型截面，通道處的平均溫度在40.7～43.3 ℃之間，局部有溫度偏高現(xiàn)象。

該工況下，典型截面的平均溫度見(jiàn)表3。

左右舷下層的溫度約為38 ℃，上層的溫度約為40～45 ℃，局部區(qū)域溫度高于45 ℃，高溫區(qū)主要集中于上部空間。

表3　各截面平均溫度

3.1.2艙室內(nèi)氣流場(chǎng)風(fēng)速分析

艙室內(nèi)各典型截面的風(fēng)速分布見(jiàn)圖4，其中風(fēng)口處氣流速度較高，從風(fēng)口流出后氣流開(kāi)始衰減，但受到艙室內(nèi)眾多裝置的影響，形成了多處渦流，使氣流流速分布不均，個(gè)別截面處平均流速較大，達(dá)到了0.61 m/s。

圖4　初始工況下艙室內(nèi)氣流場(chǎng)風(fēng)速分布

3.1.3初始工況總結(jié)

初始工況下，艙室內(nèi)溫度基本滿足要求，但是存在局部通道區(qū)域溫度要高于45 ℃的現(xiàn)象；氣流局部出現(xiàn)渦流。

3.2優(yōu)化工況

3.2.1艙室內(nèi)溫度分布

優(yōu)化工況下，室內(nèi)各典型截面處的溫度分布規(guī)律見(jiàn)圖5。

圖5　優(yōu)化工況艙室內(nèi)溫度分布

射流通風(fēng)裝置的吸氣口吸入來(lái)自艙室中部的高溫氣體，并對(duì)其進(jìn)行降溫處理，利于處理艙室上部積聚的高溫空氣，同時(shí)對(duì)前、后通道處的溫度也得以改善。增加射流通風(fēng)后各截面的平均溫度見(jiàn)表4。由表4可見(jiàn)，增加射流通風(fēng)裝置后，各截面的平均溫度也得以降低。

表4　各截面平均溫度

3.2.2艙室內(nèi)氣流場(chǎng)風(fēng)速分析

優(yōu)化工況下艙室內(nèi)氣流場(chǎng)風(fēng)速分布見(jiàn)圖6。

由圖6可見(jiàn)，雖然射流通風(fēng)冷卻裝置的出風(fēng)口速度較大，但速度衰減較快，通道處的風(fēng)速未出現(xiàn)較高現(xiàn)象。渦流現(xiàn)象明顯改善。

4結(jié)論

在機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于機(jī)艙內(nèi)設(shè)備較多，設(shè)備、電纜及水管等占據(jù)了大部分空間，使得風(fēng)管布置較為困難。利用海水冷卻的循環(huán)通風(fēng)裝置，相比完全靠新風(fēng)帶走艙室發(fā)熱量已大大改善艙室環(huán)境。通過(guò)進(jìn)一步利用射流通風(fēng)裝置，引入局部射流送風(fēng)，減小了循環(huán)通風(fēng)裝置的負(fù)擔(dān)，減少了風(fēng)管布置，計(jì)算結(jié)果表明，通過(guò)在機(jī)艙內(nèi)增加局部射流，可以起到進(jìn)一步改善艙室氣流組織，降低艙室局部溫度的目的。

參考文獻(xiàn)

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[2] 邵飛.空氣射流通風(fēng)技術(shù)在艦船機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國(guó)艦船研究,2007,2(4)：47-50.

[3] 王鳳良，柴鎮(zhèn)江.水面戰(zhàn)斗艦艇機(jī)艙空氣射流通風(fēng)系統(tǒng)初探[J].船舶，2007(4)：33-35.

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Analysis of Improving Ship Engine Room Ventilation System by Local Jet Ventilation

LIU Ya-qin, LIU Xi-yuan

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:The ventilation system is designed for ship engine room, combining sea water cooling with new air to low the temperature, and fetch in local jet ventilation to improve the environment of ship engine room. A three-dimensional numerical model is established to simulate the ventilation system by Airpark software. According to the results, new jet ventilation equipment can reduce air pipe size, improve air flow organization and reduce local high temperature.

Key words:ventilation system; engine room; local jet ventilation; numerical simulation

中圖分類號(hào)：U664.86

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0020-04

第一作者簡(jiǎn)介：劉亞琴(1981-)，女，碩士，工程師E-mail:liuyaqindut@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.006

修回日期：2016-01-21

研究方向:船舶輔助系統(tǒng)