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

颜红丹  郭征

澳龙船艇科技有限公司  528462  广东省

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。

关键词：船舶空调；通风系统设计；CFD应用；

引言

近年来，计算流体动力学(CFD)技术在包括空调系统、设备设计在内的建筑设计上的计算机模拟技术已得到广泛应用，有些已进入实用阶段。然而在船舶设计行业，CFD技术仅应用于船舶总体性能方面的模拟、分析，而在空调、通风系统设计方面研究甚少，更鲜有应用。除国外有些具体应用的实例(如韩国在滚装船货舱通风系统设计中曾有应用),国内基本停留在大学院校的科研层面上。采用CFD方法对通风系统进行分析，有严格的理论依据为基础，有些模拟计算的实例经过实验验证证明是可靠的。对于船舶通风系统设计，进行模型实验采集数据不但需要较长的周期，而且需要昂贵的费用，因此采用CFD模拟方法来获得参考数据和资料是

一个很好的手段。

1.CFD技术

CFD是英文Computaional Fluid Dynamics（计算流体动力学）的简称，通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD可以看做是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流动的数值模拟，是进行“三传”(传热、传质、动量传递)及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木水利、环境化工等诸多工程领域。暖通空调制冷行业是 CFD 技术应用的重要领域之一。

1933年，英国人Thom首次数值求解了二维粘性流体偏微分方程，标志着CFD的诞生；1974年，丹麦的P.V.Nielsen利用流函数和涡旋公式求解封闭二维流动方程，采用k-ε流体湍流模型模拟室内空气流动情况，首次将CFD技术应用于空调工程。随后10多年，世界各发达国家出于节约能源和提高社会工作效率的考虑，都投入大量人力、物力、财力来进行这方面的研究，并且取得了一定的成果[3]。短短的 20 多年内，CFD 技术在暖通空调工程中的研究和应用也进行地如火如荼。如今，CFD 技术逐渐成为广大空调工程师和建筑师解决分析工程问题的强有力工具。

美国是使用CFD技术较早的国家之一。1986年美国国家标准协会对世界范围内用CFD模拟室内空气流动的发展情况进行了总结，并成立了专门研究机构，致力于室内空气流动的研究。美国ASHARE协会于1989年成立了研究用CFD方法预测室内空气流动的研究机构，比较完整的研究了CFD方法模拟室内空气流动的相关问题。日本是另一个使用CFD技术较成功的国家。数值模拟技术在日本建筑环境工程领域的应用始于20世纪70年代初。

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℃。

2.2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.船舶空调通风系统设计优化策略

3.1优化思路

相对于原有的船舶自然通风系统设计方式，本文采用了更多的机械通风方式。除了通风系统自身，还应全面考量对其他通风系统的冲击。例如，增加一台大功率的风扇，会不会给供电带来麻烦？因延伸危险区域而对其他电气设施产生冲击等等。

3.2增设“循环冷却+新风”通风系统设计

因为海水的比热容非常大，远远大于海面空气的比热容，所以可以充分地运用这一特征，将船舶舱内的热量带走，从而可以在一定程度上减小舱室的进风量。同时，还可以在一定程度上节省能量，减小舱室中的通风管的尺寸，降低风速和噪声，从而创造出一个更好的室内环境。

3.3增设辅助采暖系统

当前，不少船舶的采暖系统采取间歇式运行的方式，在许多场合下，暖通空调通风系统都是不工作的。因此，在不工作的时候将其关掉，可以极大地提高节能效果和利用效率。而且，由于区域的差异，所需的通风方式也存在差别。为提高船舶供热的效能与品质，可采用空调与散热器供热相结合的方式，满足船舶供热需求。在暖通空调系统设计时，采暖系统和辅助系统需要分开，分布在不同区域，不同位置。这样一来，就可以为船舶的各个地区供热。并且，该系统在运行时，只需要采用一个供暖系统就能够实现供暖，达到节能的效果。例如，使用散热器供暖，只需将其温度控制在5-10℃，其余的热量借助送风装置的帮助就可以提高温度。

3.4进一步提高能源使用效率

在高密度、高散热的船舶中，优化通风系统，针对该热交换机组的电力和装置，提出了要求。在系统运转时，持续向船舶输送冷气的新需求，采用受限换热技术，将剩余热量再输送至船舶其他区域，实现对冷气的二次使用，以提高船舶的整体能量使用效率，降低能耗。此外，还要提高对设备的使用效率，做好对设备的维修工作，避免过负荷运行，保证设备一直处于稳定地工作状态。因此，技术人员必须准确地掌握通风系统的各项参数及有关特性，才能更好地提升通风系统工作效能，延长其工作寿命。此外，通过强化通风系统设备内部的有关参数的控制，实现高效控制通风系统设备内温度、压力的同时，还可以利用有关的控制算法，动态调节通风系统的输出能力，进而实现通风系统设备利用效率的最大化。

4.结束语

采用CFD优化空调通风系统的设计，可以实现对环境参数的合理控制，把握气流分布特征，对于船舶空调通风的设计研究有很大的应用前景。除了对常规的空调通风系统进行分析外，CFD方法还可以进行诸如置换通风、洁净医疗舱室、较大发热处所、厨房以及大空间通风(客滚船、滚装船等)问题的研究和优化设计。CFD技术可分析了解室内空气的流场分布，对工程设计进行直观预测，并可大大节约研究费用，有较大的应用前景。

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