基于船舶数字总图的舱室传导热计算方法研究

（中国舰船研究设计中心，武汉 430064）

0 引言

舱室负荷计算是船舶空调选型的基础[1]，若空调选型不当，舱室会存在过冷或过热现象，无法满足正常的居住生活环境，同时也无法保证船舶各种设备和仪器正常运行，更不能适应船舶大型化后所带来的舱室负荷不均衡现状。舱室负荷计算中最关键也是最繁琐的一步就是通过舱室每个壁面传入相邻舱室的舱壁传导热计算。

自Carrier[2]发表了温湿度公式和绝热饱和理论以来，国内外学者在空调负荷计算方面进行了大量的研究。在建筑空调领域，负荷计算中常采用的有当量温差法[3]、谐波分析法[4]、反应系数法[5]和传递函数法[6]等。在船舶空调领域，高山[7]研究了船舶舱室冷负荷动态计算方法，分析了舱室围壁空气层对舱室热环境的影响。孙少哲等[8]提出了单舱舱容为5万立方米的LNG船液货围护系统安装平台空调系统的设计方案。王洋等[9]研究了水面舰艇弹库空调系统负荷计算，并开发了弹库空调通风计算软件。李伟光等[10,11]以复杂船舶围壁频域有限差分模型为例，采用参数辨识算法构造了围壁的多项式传热传递函数。

舱室传导热计算一般都是通过参照图纸测量计算，不仅设计效率低下，而且特别容易出错，误差较大，无法满足船舶空调负荷快速、准确计算的需求。随着船舶设计任务和复杂程度的增加，在设计过程中舱室或设备经常发生变化，导致空调负荷无法满足变更后使用要求，需要重新进行舱室传导热计算，这一过程往往会耗费大量的人力和物力。因此，有必要实现空调负荷计算快速化、规范化和流程化，提高船舶空调系统设计效率。

1 舱室传导热模型

舱室传导热一般是指通过舱室所有舱壁和外部环境交换的热量[12]。空调通风、渗风，使舱室内空气不断进行混合、热交换和流动，舱室内各壁面与舱室内外空气不断进行对流换热，则通过该舱室所有舱壁的舱室传导热可表示为：

其中：q为传导热；λ为传导热计算系数；Fi为舱室第i个舱壁与相邻舱室之间的传导热面积；Ki为第i个舱壁传热系数；△Ti为第i个舱壁内外的设计温差。

在式(1)中，传导热系数λ、舱壁传热系数Fi、和设计温差△Ti为可以查表取值，因而，只需确定各舱壁与相邻舱室之间的传导热面积Fi即可得到舱室的传导热。

2 船舶数字总图技术

总图设计技术起源于建筑行业，是用于确定各种建筑物、综合管线及交通运输设施的平面关系、竖向关系、空间关系及生产活动有机联系的综合性学科[13]。随着设计技术和理念的不断发展和完善，总图设计技术的发展也呈现出多元化的趋势。目前总图设计技术的使用范围已经不仅仅局限于建筑行业，它已经广泛应用于市政工程、景观园林、交通运输和船舶设计等工程建设的各个方面。

船舶数字总图是指根据船舶的几何尺度、排水量、总布置等设计条件，按照船舶总体设计要求，并通过计算机辅助设计手段，合理规划甲板分层、舱室布局、建筑造型、设备布置等的平面关系、竖向关系、空间关系的，且包含相关基本属性信息的平面图。以船舶数字总图中舱室曲线为例（图1中选中虚线），该曲线包含了舱室编号、舱室名称、舱室高度、舱底面积、舱顶面积、舱底相对下甲板位置、舱底相对下甲板偏移量、舱顶相对上甲板位置、舱顶相对上甲板偏移量等信息。

有鉴于此，在计算舱室传导热时可借助数字总图技术来计算相邻舱室之间的传导热面积。

3 舱室传导热计算方法

舱室相邻分为两种：四周相邻和上下相邻，四周相邻即分析同一甲板层中舱室之间的相邻关系，上下相邻即分析舱室与上层甲板和下层甲板舱室之间的相邻关系。舱室传导热计算的重点在于相邻舱室之间的传导热面积计算，本文通过构建最大虚拟外接圆来判断两舱室是否相邻，大大提高了舱室是否相邻的检测速度。以图1某型船舶数字总图中选中舱室为实例计算舱室传导热。

图1 某型船舶数字总图示意图

3.1 四周相邻舱室传导热计算

1）获取2层甲板舱室1的曲线顶点坐标信息，求出以距离最远的两顶点为直径的外接圆的圆心坐标OP和半径R（图2中虚线曲线为外接圆，点划线为其直径）。

2）依次求解圆心OP至组成舱室2各段曲线的距离，若小于或等于半径R，则表示两舱室四周相邻。若相邻，依次以舱室1的所有边为基准（设图2中单点划线为舱室1第一条边），求解其与舱室2曲线（4条边，图2中双点划线）所有边的重合部分长度，得到两舱室所有边重合长度，可表示为：

图2 舱室四周相邻示意图

其中，D12表示舱室1和舱室2所有边重合部分长度矩阵，dij表示舱室1第i条边和舱室2第j条边重合部分长度，将所有重合长度相加即为两舱室舱壁重合长度L12：

3）舱壁重合长度L12与舱室高度h相乘即为四周相邻两舱室传导热面积F12：

4）结合式(1)，即可得到舱室1和舱室2的传导热：

3.2 上下相邻舱室传导热计算

1）以舱室1舱顶为基准，投影至上层甲板，如图3，获取投影后舱室1的曲线顶点坐标信息，求出以距离最远的两顶点为直径的外接圆的圆心坐标OP和半径R（图3中虚线曲线为外接圆，点划线为其直径）。

图3 舱室上下相邻示意图

2）依次求解圆心OP至组成舱室7各段曲线（图3中双点划线）的距离，若小于或等于半径R，则表示两舱室相交。若相交，两舱室曲线相交面积即为舱顶相邻两舱室传导热面积F16（图3中黑色粗实线所围面积）。

3）结合式(1)，即可得到舱室1和舱室6的传导热：

4）同理，以舱室1舱底为基准，投影至下层甲板，依次判断投影后舱底曲线与下层甲板舱室曲线是否相交，即可求得舱底相邻两舱室传导热面积，进而计算传导热。

基于以上分析，2甲板舱室1的所有相邻舱室传导热可表示为：

其中，q1j表示舱室1与舱室j之间的传导热面积。则图2中所有舱室传热面积可表示为：

其中，qij表示舱室i与舱室j之间的传热面积，n为舱室个数。

4 舱室传导热计算软件开发

4.1 设计流程

基于数字总图的舱室传导热计算软件设计流程如图4所示。

图4 舱室传导热计算软件设计流程

1）通过对船舶数字总图的分析，区分出图中舱室曲线和甲板曲线，即哪些曲线表示舱室，哪些曲线表示甲板；

2）对舱室曲线进行分析，分离出舱顶、舱底信息，以及舱室所属甲板层信息；

3）判断同层甲板中舱室之间的相邻关系，即哪些舱室之间是四周（前后左右）相邻；获取上、下甲板层舱室之间的上下相邻关系，即哪些舱室之间是舱顶或舱底相邻的；

4）通过几何关系计算四周相邻、上下相邻舱室之间重合部分舱壁面积；

5）计算舱室传导热。

4.2 开发环境

基于数字总图的舱室传导热计算软件以AutoCAD 2006为绘图工具，利用AutoCAD软件内嵌的面向对象编程语言VBA（Visual Basic for Application）语言对其进行了二次开发[14]，采用工具条插件形式，定制开发所需的菜单和子菜单，如图5所示。

图5 插件菜单图

4.3 应用实例

以图1中选中舱室030311为例，经过基于数字总图的舱室传导热计算软件计算后，可得到与其相邻舱室共有6个，传导热结果如图6所示。

图6 舱室传导热计算结果

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5 结束语

本文在分析了舱室传导热模型和数字总图技术的基础上，分别研究了四周相邻和上下相邻两种情况下舱室传导热计算模型。设计了基于数字总图的舱室传导热计算软件设计流程，采用VBA编程语言，在AutoCAD平台开发了基于数字总图的舱室传导热计算软件，并结合实例进行了应用。该方法可较大程度地提升舱室传导热计算效率和精确度，为船舶行业舱室传导热计算提供了一种快速化、规范化和流程化的计算方法。

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[7]高山.船舶空调动态负荷分析与计算[D].大连理工大学,2005.

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