0 引言

机舱是船舶的重要组成结构^[1]，在空间紧凑的机舱中有锅炉、发电机组、空气压缩机等热散发设备，及排气管系、动力管系等热散发辅助设备。热散发造成环境温度升高影响到空气压缩机、冷水机组等设备正常运转^[2]。机舱中油液挥发到环境空气中，当聚集到一定浓度还存在爆燃隐患。因此，机舱通风不仅提供锅炉燃烧设备必需的供氧风量，还要把机舱余热、有害气体排除，创造适宜人员健康劳动、设备安全运行的空气环境。

机舱具有设备功率大、持续工作时间长、热发散量集中及环境空间狭小的特点。机舱热发散控制技术可以采用空气射流通风系统，通过下送高速气流到达工作区，经过合理组织气流使射流送风与排风有机配合，实施热散发控制、燃烧补氧、人员供气、污染物排放功能。本文通过建立数值模拟模型，采用 CFD 方法对影响通风效果的送风速度、碰嘴高度、送风温度、送风湿度及排风速度等因素进行正交试验，分析诸因素对机舱温度的显著性影响。

1 研究对象 1.1 热源状况

本文以某船舶平时夏季机舱运转工艺为研究对象，在此过程中持续产生高负荷热量，使机舱温度处在较高的范围内，热量在车间内上升扩散，经过排风口流向舱外。在不考虑围护结构对热传递的影响时，将过程简化为高负荷热源散发的热量在设备表面均匀散发到周围空气，热源功率分布如表 1 所示，锅炉在夏季仅 1 台工作，另有4台低功率设备散热量忽略不计。

1.2 控制技术措施

针对该热源，拟采用空气射流通风技术进行热散发控制。新风离开射流喷嘴后，随着高度逐渐降低，射流断面不断扩大，射流与周围气体不断进行质量、动量交换，周围空气不断被卷入，射流流量不断增加。而射流速度则因与周围空气的动量交换而不断下降，空间中大量的静止空气被带动，并与射流一起形成局部气流，从而达到通风换气的目的。空气射流通风技术系统组成如图 1 所示^[3]。

2 研究模型及试验设计 2.1 物理模型

机舱纵深长 15 000 mm，宽 8 000 mm，高 4 250 mm，机舱侧壁是垂直高度为 4 250 mm，水平距离为 1 350 mm，长度为 8 000 mm的斜面。新风由风管均匀^[2]送到 40 个空气喷嘴，喷嘴垂直向下送风，再由风机将室内高温气体从排风口抽走，空气喷嘴圆截面尺寸为 Ф 52 mm，排风口的尺寸为 1 500 mm × 800 mm，风口分布由热源负荷和位置确定，如图 2 所示。为简化计算，忽略机舱顶部管道布置对气流组织的影响。

对机舱区域的流场进行 1∶1 三维建模，建立起机舱热发散控制的物理模型如图 3 所示。由于数值模拟计算是基于模型内部所划分的每个网格单元，网格的质量直接影响到模拟结果的准确性。该模型的网格划分如图 4 所示，采用六面体网格，最小尺寸为 30 mm，最大尺寸为 200 mm。

2.2 数学模型

基于标准 k-ε 模型^[4]具有较高的稳定性和计算精度，广泛适用子高雷诺数湍流问题，包含了低雷诺数影响，可压缩性影响和剪切流扩散，本文选用该模型进行数值模拟计算。假设气体不可压缩且舱内气密性良好，对近壁面采用近壁函数法处理^[5]，用 Quick 格式离散控制方程。控制方程为

$\frac{\partial \left( \rho \phi \right)}{\partial \text{t}}\text{+div}\left( \rho \mu \phi \right)\text{=div}\left( \Gamma \text{grad}\phi \right)+S.$

(1)

表 2 给出在三维坐标下，通用式（1）对应的控制方程。

式中：ρ 为流体密度，在不可压缩流体中为常数；t 为时间；$\varphi $ 为广义变量；$\varGamma $ 为对应的扩散系数；S 为对应的源项。x、y、z 为 3 维坐标下的 3 个方向分量；T 为温度；μ 为流体动力黏度；μ_t 为湍流黏度；σ_t 为湍流普朗特数；Pr 为普朗特数；S_μ，S_v，S_w为直角坐标系下的各方向的广义源项。

为提高模拟效率，以获得较好的模拟效果，进行如下理想化处理^[6]：

1）流体为不可压缩的稳态流动过程；

2）除了机舱进排风和锅炉吸气外，假设机舱除排风口外都密封完好^[7]。

3）两相流模型选用离散项模型，第 2 项物料定义为水蒸气。

计算时考虑重力影响，重力加速度大小为 9.8 m/s²。各边界条件定义如下：

1）射流系统空气喷嘴和机械排风系统排风口定义为 Velocity-inlet（速度入口），速度大小和温度根据每种工况确定，空气喷嘴速度为负值;

2）机舱简化后泄放阀定义为 Velocity-inlet（速度入口），速度大小由新风量和排风量确定，压力泄放阀进风温度为 30 ℃，相对湿度为 60 %;

3）热源设为均匀向周围环境散热，散热量由设备功率确定;

4）机舱其他外围结构定义为 wall（墙体），不考虑墙体导热。

2.3 正交实验设计

为分析诸多通风参数对机舱高负荷热源热发散控制的影响，包括送风速度、碰嘴高度、送风温度、送风湿度、排风速度，每个因素取 3 水平，因素水平表见表 3。试验在不考虑交互作用的情况下，选取 6 因素 3 水平正交试验表 L27（3⁶）进行因素分析，每种工况超压泄放阀与压力泄放阀的风速值见表 4。正交试验表中，除所取5因素外，还需设置空白列，用来反映试验误差，并以此作为衡量试验因素产生的效应是否可靠的标志。

3 结果及分析 3.1 试验结果

采用模型对诸多通风参数进行模拟计算，并以机舱工作区（不超过 2 m 高范围）平均温度作为热发散控制效果的指标，共 27 组正交试验工况结果见表 5。

3.2 结果分析 3.2.1 各因素对机舱工作区温度的影响程度

计算平均温度的极差 R（见表 6），极差的大小表示该因素对试验结果的影响大小^[8]。表 6中，K_i 为任一列水平号为 i 时多对应的考察指标结果之和，k_i = K_i/s，其中 s 为任一列各水平出现的次数，则极差可表示为

$R = {\rm max}{k_1},{\rm{ }}{k_2},{\rm{ }}{k_3} - {\rm max}{k_1},{\rm{ }}{k_2},{\rm{ }}{k_3}.$

(2)

结合表 6，根据平均温度极差分析的结果，机舱通风参数对平均温度的影响程度排序为 C＞A＞B＞E＞D。

为深入探究所选组合的可靠性，对试验指标结果进行方差分析^[8]。根据因素偏差平方和计算公式^[8]，以因素 A 为例有

${{S}_{A}}=\frac{1}{r}\sum\limits_{i=1}^{m}{\sum\limits_{j=1}^{r}{{{X}_{ij}}}-\frac{{{T}^{2}}}{n}},$

(3)

误差的偏差平方和为

${{S}_{e}}=\sum\limits_{i=1}^{m}{\sum\limits_{j=1}^{r}{X_{ij}^{2}}-\frac{1}{r}}\sum\limits_{i=1}^{m}{X_{ij}^{2}}.$

(4)

式中：S 为偏差平方和；X_ij 为每组试验指标；m 为每种因素的水平数；n 为试验总次数；r 为试验重复次数。根据文献方差分析法，计算结果见表 7。

根据方差分析结果，A和C 为高度显著性因素，其水平改变对试验指标的影响高度显著；B 为显著性因素，其水平改变对指标影响显著；E 为较显著性因素，对试验指标有一定性影响；D 为非显著性因素，对试验指标没有显著性影响。通风参数诸因素对机舱工作区平均温度的影响程度排序为 C＞A＞B＞E＞D，与极差分析的结果一致。

3.2.2 优方案的确定

考虑实际工况要求，试验指标要求越小越好，表明对高负荷热源的热发散控制效果越好。因素 D 是非显著性因素，对试验指标没有显著性影响，在选优时可以不考虑。如图 5 的变化趋势图，对机舱冷却效果较好的组合为 A₃B₁C₁E₃。

对试验确定的优方案进行数值模拟，直观分析机舱工作区温度场及空压机，冷水机组设备运行的环境温度。图 6 表示机舱内 1.5 m 高度上的温度分布。在采用空气射流通风系统时，室内温度出现分区现象，温差可以达到 15 ℃，但是室内工作区平均温度为 34 ℃。对于局部高负荷热源，空压机工作区温度为 35.4 ℃，冷水机组工作区温度为 32.2 ℃，符合设备工作效率对环境温度的要求。

在降温达到实际工艺要求的前提下，综合考虑实际工艺条件和节能，对优方案进行再优化。由于机舱内温度与通风负荷有关，过低的温度能耗较大，适当提高送风温度，降低新风系统制冷量，初步筛选确定送风温度为 18 ℃。另外，机舱是一种特殊的机械处所，需要维持一定的超压，防止向舱室内渗风，在送风速度不变的情况下，降低排风速度可以建立一定的正压环境。且排风速度相对其他参数影响较小，减小排风速度，风机风量就越小，能耗也相应较低，排风速度设为 1.1 m/s。

3.2.3 调整后机舱温度场

对再优化调整后的工况进行数值模拟，温度场模拟结果如图 7 所示。调整后工作区的平均温度为 37.3 ℃，空压机工作区温度为 38.4 ℃，冷水机组工作区温度为 35 ℃，同样符合设备对温度的要求。

4 结语

1）机舱通风诸参数对工作区平均温度的影响重要程度排序为：送风温度＞送风速度＞送风高度＞排风速度，送风湿度为非显著性因素，不参加排序。

2）根据正交试验结果确定 A₃B₁C₁E₃ 为优方案，即送风速度为 40 m/s，送风高度为 2.8 m/s，送风温度为 16 ℃，排风速度为 1.3 m/s。考虑实际工艺条件和节能，对优方案进行再优化，调整后的方案送风速度为 40 m/s，送风高度为 2.8 m/s，送风温度为 18 ℃，排风速度为 1.1 m/s。

3）调整后工况工作区的平均温度为 37.3 ℃，满足工作人员对环境温度的要求，局部温度在设备较高工作效率范围内。