探究船舶空调通风系统设计中的CFD应用

探究船舶空调通风系统设计中的CFD应用

王静

(大连船舶重工集团舵轴有限公司产品开发部辽宁大连116011)

摘要：空调通风系统是船舶结构设计过程中的重要的一个环节，若能应用计算流体动力学（CFD）手段进行辅助设计，将会对船舶工程建设与发展具有明显的促进价值。本文采用计算流体动力学软件Airpark（1.0）对船舶空调通风系统进行CFD仿真设计，结果表明该系统运行效益良好，较高的满足了船舶车厢中的舒适度要求。希望与同行分享技术实践经验，共同提升船舶空调通风系统的设计水平。

关键词：船舶；空调通风系统；模型设计；CFD应用

CFD，是在计算机协助下，求得流体流动的偏微分方程组，其应用目的是定性或定量的阐述流体流动的物理现象。不同舱室因为用途、使用时间等方面上存在差异性。故而在对空调系统设计时在符合以上要求的基础上，尽量强化系统结构的简洁性，降低系统的初造价成本，以提升对资源的有效利用率。但在以往的系统设计中，通常因为舱室布局缺乏合理性，最终影响通风系统的整体设计效果，本文主要对CFD手段在系统设计中的应用做出探究。

1CFD软件与计算模型

本次研究中，数据计算时所应用的CFD为美国Fluent公司的Airpak（1.0）[1]。Airpak属于一类专用的CFD软件，具有功能强大、运行快捷、操纵方便等特征。其将Fluent技术设为内核，应用Ruent求解器计算流量场，能实现对超复杂空间模型流量场的精确计算，该手段是当下应用范畴最广阔、技术最成熟的有限体积法对应的数值计算方法，提升设计者快速建模及划分阿格的能力。与此同时，Airpak也能提供惟妙惟肖、可视化的后处理结果，其合理应用ISO7330标准,对空间环境中气度、速度、相对湿度、辐射等指标整体考察，全面评价机体热舒适、健康与安全水平的最适参数，进而实现调控空气质量、控制污染严重程度的通风系统的仿真计算。

本次研究中，对船舶室两套空调系统进行设计，两风道顺沿车顶部位对称性安装，下风道应用主风道与静压腔配合的方式进行，在送风风道里开条缝形风口，按照自上而下方向送风，风道静压腔中安设隔板、隔板开设100×100孔洞，与此同时还需由风道前侧分别引出两导管，向乘务室与配电室输送少量冷风。

2基于CFD设计船舶空调通风系统的运行分析

2.1冬季

在冬季温度较低的气候环境中，车厢空调通风系统涉及的计算参数如下：车厢外侧温度：-20℃；;送风入口温度：19.5℃；进风口总风量：5000m³/h；回风量：3550m³/h；客室内预设温度：2l.2℃；人体温度：36.5℃；乘客数量：76人；废排风量：1470m³/h；过道加热器：4.5kW；室内加热器：11.5kW；侧墙传热系数:1.20W/m²K；地板传热系数:1..20VU/m³/hK.。对冬季车厢中提供暖风基础上，还需安置具有过道的加热器与客室加热器.

利用模型对车厢中温度、速度等指标排布情况进行分析，测得车厢中头部位置水平断面的温度分布情况如图1所示[2]。

图1厢中头部位置水平断面的温度分布示意图

对图1进行分析，发现在不同个体之间区段的平均温度约为19.2℃，过道出温度相对较低，约为16.3℃。结合相关标准，车厢中人体舒适区段中温度变化区间为17.2~22.4℃。

2.3夏季

空调系统夏季工况计算参数如下：车厢外侧温度：40℃；冷风入口温度：14.2℃；进风口总风量：5000m³/h；回风量：3550m³/h；室内规划温度：25.6℃；人体温度：36.5℃；乘客数量：76人；废排风量：1470m³/h。

在对车厢舒适区段温度进行分析，发现其分布相对均匀，人和人之间的温度约为22.2~23.5℃，过道处的温度相对较低，范围为17.1~18.3℃。结合相关标准，在车厢内距离地板高1.1m处的平均温度为22.4℃，车厢中人体舒适区段中温度变化区间为203~24.5℃，可见车厢中的温度符合相关标准要求。

3空调通风系统优化分析

针对船舶室内存有较大发热量设备的工作舱或机械舱，建议把其与公共舱室独立布设，并尽可能布设在舷侧周边[3]。以上举措能有效规避该类舱室温度过高而对周边空调舱室形成的影响，其也有益于更有效的控制周边空调舱室的噪音量。此外，从空调通风系统设计的角度去分析，针对该类舱室，通常建议安设舱室空调器，进而实现对舱室温度的直接性冷却，若发热量相对较低，也可以直接影响室外新风实现有效的通风冷却，尤其是在春秋季温度相对较低的节气，能降低对舰上冷媒水或海水、电及舱室空间等资源的耗损量。

针对相邻舱室的布设，应遵照整体设计的原则，全面分析其使用功能与通风需求，尽量把具备防爆、防火等特殊要求的舱室和其他普通舱室、空调舱室等隔离布设，可采用如下几种途径：①安设通道隔离；②安置前室过渡；③为防止热气流汇聚在变压器顶部，且向下部拓展而影响进风口周边环境温度，将诱导风口安设在顶部前端，以促进热气流的有效排出。

结束语：

加强船舶空调通风系统的设计，是为实现预设的舶室环境要求。船舶设计属于一项规模庞大、过程繁杂的系统化工程，在受限的空间环境中，结合其在功能、性能、物理属性等方式存在的差异性，加强船舶系统、设备设施与各种零部件的优化设计，并强化不同专业、系统间协同与沟通的有效性，进而制定出各合理的整体设计方案。

参考文献：

[1]王帅,方勇.船舶空调通风系统卫生学要求[J].船海工程,2018,47(06):102-104+107.

[2]曾伟.FPSO生活模块空调通风系统设计[J].广东造船,2017,36(03):40-43.

[3]施晓磊,丁磊.船舶空调通风系统噪声研究[J].科技展望,2016,26(23):150.-152