基于CFD的某船货舱通风环境分析方法研究

陆　洋，李建荣，茅陈松

(中国卫星海上测控部，江苏江阴214431)

基于CFD的某船货舱通风环境分析方法研究

陆洋，李建荣，茅陈松

(中国卫星海上测控部，江苏江阴214431)

摘要:以某船货舱通风系统为研究对象，验证通风设计方案中使用的CFD模拟计算方法是否合理有效。首先根据船舶舱室通风系统的要素和特点，设计舱室通风数值模拟方法;在此基础上针对某船货舱通风设计方案应用Aripak软件模拟计算，输出结果满足设计要求;最后通过对照码头和航行实船试验，模拟值与试验值吻合良好，证实所用模拟方法的准确可靠。研究表明，本文提出的CFD模拟方法可有效分析船舶舱室内热环境，通过结合通风设计有助于优化设备选型和实船配置。

关键词:货舱通风; CFD; Aripak;数值模拟

Research on the analytic procedures of a vessel cargo bay ventilation based on CFD

LU Yang，LI Jian-rong，MAO Chen-song
(China Satellite Marine Tracking＆Control Department，Jiangyin 214431，China)

Abstract:The research object of the paper is aimed at a vessel cargo bay ventilation to verify the reasonability and validity of the CFD simulation calculation method used in the ventilation design scheme．Firstly，a numerical ventilation method is proposed according to the factors and features of the vessel cabin ventilation system，on the basis of which the simulation calculation by Aripak software is applied in a vessel cargo bay ventilation design scheme，and the outcome meets the requirements．Lastly，compared with the dock and navigation experiment the simulation outcome matches that of the experiment well，confirming the accuracy and reliability of the used method．The study demonstrates that the thermal environment of vessel cabins can be effectively analyzed by the CFD simulation method，which combined with the ventilation design can contribute to the optimization of equipment selection and vessel installation．

Key words:cargo bay ventilation; CFD; Aripak;numerical simulation

0　引言

现代舰船是典型的、庞大的、复杂的人－机－环系统，其中通风系统用以建立并维持舱室(机舱、住舱、货舱等)内所需的环境条件如空气温度、湿度、流速等以保证各类设备(如柴油机、锅炉等)良好运行状态，同时也是改善船员生活工作条件的重要措施。随着舰船人机环技术的发展，对舱室通风性能指标的要求越来越高;舱室通风设计在船舶建造前就应实施数值模拟，分析气流组织，做出性能预测，然后通过调整设备配置优化方案。然而，传统的常规设计方法只是基于定性的、经验的判断，缺乏针对性的分析和预测手段，满足不了节能、高效、舒适的设计要求。目前，CFD技术及其应用软件已被大量应用于暖通空调工程领域，可以有效改变单凭经验的粗放性，使设计更加精细合理［1－2］。

某首型船采用前倾首柱、球鼻、方尾、双柴油机驱动、双可调螺距螺旋桨、双舵、尾桥楼船型，设置2个大开口货舱，配置2台全回转重型起重吊，用于运输专用集装箱。图1为该本船整体结构。为满足运输中特殊货舱环境控制要求，对本船的货舱

通风系统进行专门设计。本文通过研究舱室通风计算方法，采用CFD技术模拟货舱通风设计方案是否满足要求，并根据对比实船试验数据，验证模拟结果是否准确可靠。

图1　某船船体结构示意图Fig.1　The diagram of a vessel hull structure

1　某船货舱通风分析

该船的通风区域包括起居生活处所、设备处所、危险区域和货舱等，所用通风类型有自然通风、机械通风和空气调节通风，针对舱室用途遵循不同原则实现通风目的。根据货物运输要求和航行区域气候，设计要求舱外气温50℃以内时，舱内集装箱表面温度不超过40℃。图2为货舱区域分布图，它为双层结构，由中间舱口盖分隔为4个独立部分。货舱环境控制系统组成包括送回风、新风盐雾过滤、制冷降温除湿、加热升温减湿、独立淡水冷却和监控等分系统。

图2　货舱区域分布图Fig.2　The profile of the cargo hold area

2　舱室通风模拟方法

2.1CFD简介

CFD是通过数值计算和图像解析对含有流体流动和热量传导等物理现象的系统所做的分析，已成为暖通空调领域研究及应用的有力工具。它把时间域和空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定原则和方法建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。

CFD应用软件较多，如Fluent，STAR－CD，Phoenics，Airpak等，其中，Airpak是专门面向HVAC领域的专业人工环境系统分析工具，近年来大量应用于工程流场的研究，计算超复杂空间模型的流动传热问题。Airpak提供强大的物理模型创建功能和快捷全面的网格处理能力，一般应用流程见图3。首先，将各种物理模型以形象的实体模型表示，并提供物性数据库;然后，调用Fluent软件的处理器进行传热、传质及流体流动的计算。本文选取CFD方法对货舱气流组织进行数值模拟，预测舱内空气传热流动分布情况。

图3　Airpak的应用流程Fig.3　The application procedure of Airpak

2.2舱室通风数值模拟研究

尽管CFD软件通用性较强，但其计算结果是否可靠与使用者对计算方法的理解以及对具体问题的处理有很大关系。本文针对船舶舱室通风系统，建立如图4所示的数值模拟流程。

2.2.1研究对象

首先确定研究对象，明确舱室特点、通风类别、环境条件，并指明待研究的技术指标，如室内温度场、速度场、空气龄分布等。

2.2.2物理模型

根据通风系统特点，考虑模拟工作的复杂性及可行性、计算机内存和计算速度等因素，在不影响计算结果的前提下，对模拟区域做适当简化处理，建立接近于真实情况的模型，包括舱室坐标、模型尺寸、内部布局、各类组件等。

2.2.3数学模型

Airpak在通风气流组织方面提供强迫对流、自

然对流和混合对流模型，流固耦合模型，热辐射模型，湍流模型等代表性算法工具。根据流体流动特性，当雷诺数大于2 000，瑞利数大于5×107时，认为流动为湍流。湍流模型较适用于船舶舱室通风模拟。

图4　舱室通风模拟流程Fig.4　The simulation procedure of the cabin ventilation

Airpak湍流模型有4种: Indoor零方程模型、零方程模型、标准k－ε模型和RNG k－ε模型，需根据实际做出选择。Indoor零方程模型是新的零方程模型，不但可预测室内空气流态(包括自然流动、机械流动、混合流动以及置换通风)、空气温度分布及污染物浓度;而且准确合理、简单可靠，计算收敛速度快、收敛稳定性好，对预测舱室内气流组织的效果很理想［3］。

在CFD领域中，流体流动和换热问题的核心是求解流体控制方程。舱室通风系统的气流流动为不可压流体的定常流动，满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律方程。如式(1)～式(5)所示，建立的数学模型是以N－S方程组与湍流模型为主体，再加上一些在主体方程组上补充的附加源项、附加输运方程与关系式的附加模型［2－3］。

1)连续性方程式中，ui(i = 1，2，3)为空气速度在x，y，z方向的分量。

2)动量方程

式中:ρ为流体密度; p为静压; gi为i方向的重力加速度; Fi为污染源引起的源项;为黏度;δij为应力张量;τij为常数。

3)能量守恒方程

式中: h为比焓; k为分子热导率，kt为湍流扩散热导率; T为流体温度; Sh为体积热源项; Cp为质量定压热容;μt为湍流黏度; Prt为湍流普朗特常数。

2.2.4初始条件与边界条件

根据对象特征，确立初始条件及边界条件，若是稳态问题，则不需初始条件。需确立的边界条件有:风口位置，送、回风方式和参数，壁面条件，围护结构，舱室内温度、相对湿度、热源等。

2.2.5模型求解

Airpak采用CFD控制体积法(CVM，Control Volume Method)对控制模型方程进行离散化，其基本思路是将计算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积;将待解微分方程(控制方程)对每个控制体积积分，从而得出一组离散方程。

2.2.6模拟结果与分析

物理、数学模型建立完成，在初始条件和边界条件下，对模型网格化后进行数值模拟，得到气流运动的矢量图、温度场和速度场分布图等，可三维显示流动特性，或以动画演示非定常过程。

3　货舱通风模拟

本船货舱通风系统根据设计要求和航区气候，估算舱室传热负荷、风量(式(6)和式(7) )，推算所需设备负荷及舱室通风量，汇总货舱通风计算见表1［4－6］。

式中: Q为热负荷，w; K为传热面的换热系数，w/

m2·℃; A为传热面面积，m2;ΔT为传热面内外表面温差，℃。式中: V为通风量，m3/h;ρ为空气密度，kg/m3; Cp为空气比热，kJ/kg·℃;ΔT2为计算送风温差，℃。

表1　货舱通风计算汇总Tab.1　The calculation collecting of the cargo hold ventilation

考虑船型、结构、设备市场选型及装船要素，较多约束条件使通风设计调整空间受限，No.1货舱(上)和No.2货舱(上)热负荷较大，舱内温度分布受风口影响小，较难实现预期要求，所以对这2个货舱环境的设计方案进行模拟分析，验证内热环境是否满足需求。

图5　No.1货舱(上)通风物理模型Fig.5　The ventilation configuration of the No．1 cargo hold (upper)

3.1No.1货舱(上)通风模拟

No.1货舱(上)船首部分空舱内设置2套独立空调机组，通过前侧舱壁将新风送入舱室，具体通风布置见图5，为纵向通风方式。每套设置1个圆形出风口，受市场设备参数限制，选用每个风口换风量11 000 m3/h，共22 000 m3/h (＞18 000 m3/h)。由于舱内热负荷主要来自于上表面的日晒舱盖，因此将送风口布置在上部，降低集装箱上表面的温度。送风口直径为500 mm，送风速度为12.74 m/s;回风口位于送风口下方，直径也是500 mm，风速均为6.2 m/s。No.1货舱(上)实际的换气次数为7 c/h。在送风口与回风口之间设置一个自然回风口，起到风量平衡并模拟实际运行中漏风的情况。在舱外气温条件最高限值时，图6为No.1货舱(上)集装箱表面温度分布模拟结果，在该方案中，集装箱表面最高29.2℃，最低21.1℃，满足温度分布要求。

图6　No.1货舱(上)集装箱表面温度分布Fig.6　The temperature distribution of the container surface in the No．1 cargo hold (upper)

图7　No.2货舱(上)的通风配置Fig.7　The ventilation configuration of the No．2 cargo hold (upper)

送风口，右侧布置2个，左侧1个。同时为保证舱壁强度，将送风口开成椭圆形状，截面积为0.161 m2，送风速度为19 m/s。回风口布置于舱壁下部，为直径500 mm的圆形，回风速度为7.8 m/s。图8为在舱外气温条件最高限值时，No.2货舱(上)集装箱表面温度分布模拟结果，在该方案中，集装箱表面最高30.3℃，最低19.5℃，满足温度分布要求。

图8　No.2货舱(上)集装箱表面温度分布Fig.8　The temperature distribution of the container surface in the No.2 cargo hold (upper)

4　货舱通风效能试验分析

结合货舱通风模拟计算结果，分别在码头系泊状态和海上航行期间进行货舱通风系统效用试验，以检验通风方案是否达到要求，并验证设计的模拟方法是否可靠。试验中3台冷水机组全部开启运行，结合模拟结果，多点测试集装箱表面温度。实船试验时，舱外环境温度30℃～41℃、甲板面平均温度50℃～65℃时，舱内集装箱表面温度可控制在16℃～24℃范围内。

图9　No.1货舱(上)集装箱表面温度分布拟合曲线Fig.9　The temperature distribution curve fitting of the container surface in the No.1 cargo hold (upper)

图10　No.2货舱(上)集装箱表面温度分布拟合曲线Fig.10　The temperature distribution curve fitting of the container surface in the No.2 cargo hold (upper)

在舱外气温条件相同时，模拟计算、码头试验和航行试验3种情形下No.1货舱(上)和No.2货舱(上)集装箱表面温度分布拟合曲线见图9和图10。在同样舱外气温条件下，模拟结果和测试结果主要分布规律相同，同一测量点的试验值与模拟值基本吻合，最大误差约为2.5℃，两者基本一致，验证了该计算方法模拟货舱内热环境的可信性。

5　结语

本文以某船货舱通风系统为研究对象，应用CFD技术对通风设计进行分析，模拟结果表明设计满足要求。通过实船码头、航行试验，模拟结果与试验值吻合良好，证实了模拟方法的准确可靠。本文研究表明，通过CFD模拟分析可对通风设计进行有效验证，提高设备选型和实船配置的针对性，不仅有效地保证通风效果，还能降低系统建设及设备运行过程中的成本和能耗。

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作者简介:陆洋(1978－)，男，工程师，从事船舶动力专业工作。

收稿日期:2014－05－20;修回日期: 2014－06－26

文章编号:1672－7649(2015) 07－0049－05doi:10.3404/j.issn.1672－7649.2015.07.012

中图分类号:U662．2

文献标识码:A