(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

船舶机舱安装着众多的设备、仪器、管道，设备布置拥挤，发热量大，加上舱内系统工况切换、舱外环境的改变，使船舶机舱形成了一个异常复杂的热环境[1-2]。合理的气流组织有助于降低高温设备附近环境温度及机舱的散热[3-5]。已有的研究对象都是以单层机舱。多层机舱比单层机舱结构更复杂，热环境更难控制，这给机舱的气流组织设计带来了更大难度，为利用CFD对某实际4层机舱在斜向下送风和垂直向下送风2种典型送风形式下的温度场和速度场进行模拟和分析，为该舱室气流组织设计提供参考。

1 物理模型与算例设置

1.1 物理模型

某船多层机舱，舱室分为4层，见图1，层之间为实心隔板，整个舱室通过贯穿件与隔板之间的0.5 m的间缝联通。舱室内每层布置4条送风管，每条送风管上布置4个送风口；2条回风管布置在第一层距楼板2.7 m的高度，每条回风管上布置6个回风口；因楼板厚度相对于楼层高度可忽略不计，故将楼板简化为无厚度面，并在相应位置布置楼梯口，设备等。

图1 船舶机舱模型

1.2 算例设置

针对该多层机舱的结构和热源分布特点，参照《ISO8861—1998造船-柴油机船舶机舱通风设计要求和计算基准》[9]进行通风量估算，并在文献[10-11]的研究基础上设计斜向下送风形式和垂直向下送风形式，针对这2种送风形式对该舱室模型进行模拟。斜向下送风形式中，调整1、2层的送风角度为30°，使冷却风能够直接到达发热量较高的设备1，将3、4层的送风方式调整为垂直风口送风。垂直向下送风形式是将所有风口调整为垂直向下吹风，风管布置在每层的上部。具体参数见表1。

送风口为速度进口，送风温度为20 ℃；回风口为压力出口，出口静压设为0，热源总值为297 kW，热源密度为0.384 kW/m2。

2 两种送风形式的模拟结果及分析

截取代表性的X、Y轴中间截面对模拟所得到的船舶机舱内的温度场和速度场进行分析。

2.1 温度场分布

在该空调系统下，要求该舱室内的温度符合第1、2层的平均温度小于等于60 ℃，第3、4层的平均温度小于等于50 ℃的设计标准。对舱室每层的X、Y截面的温度统计见表2(方案1代表斜向下送风形式，方案2代表垂直向下送风形式)。

表1 送风参数

表2 每层平均温度统计 ℃

根据模拟结果绘制X、Y截面温度等值线图见图2。

图2 X、Y截面温度等值线图

由图2可知，斜向下送风形式中，设备1不存在局部温度特高的状态，绝大部分区域温度都在55 ℃以下，设备1边缘的最高温度在95 ℃左右。说明该送风形式下，冷却风能够直接达到设备1进行降温冷却，减少了冷却风的损失，更好地控制区域温度。当采用垂直向下送风时，X、Y截面的第3、4层温度都较低，但第1、2层由于冷却风不能直接对其冷却，故这2层的设备1壁面临近区域温度较高，特别是X截面第3层的左侧壁面临近区域温度非常高，超过了180 ℃。

分析造成两侧温度差异的原因，可能是由于左侧竖直布置在中间的设备2造成冷却风不能向中部流动。

由表2的统计数据可知，斜向下送风形式下每层的温度均可达到设计标准。在垂直向下送风形式下，虽然存在局部的高温区，但每一层的平均温度均达到设计标准。

2.2 速度场分布

该舱室X、Y截面速度等值线图及流线见图3。由图3可知，在斜向下送风形式下，由于冷却风直接吹向设备1，周围存在较大区域的高速区，这能减少气流损失，使气流得到充分利用。由图3a)X截面可知，右侧的气流速度较大，并且冷却风能够向中部移动对该区域进行降温，但左侧由于设备2的存在使左侧冷却风流速度比较小，这也是温度场分析中为什么上两层左侧温度偏高的原因；由图3b)Y截面可知，两侧气流均可向中部流动对区域及设备进行降温，但除了进风口附近，其风速普遍比较低。因此，在垂直向下送风形式下，该舱室内温度总体比斜向下送风形式下的高。

由图3c)X截面可知，斜向下送风形式下，右侧的气流速度较大，并且冷却风能够向中部移动对该区域进行降温，但左侧由于竖直设备2的存在使左侧冷却风流速很小，这也是温度场中上两层左侧温度偏高的原因；由图3d)Y截面可知，设备1附近的风速很低，因此设备1壁面临近区域散热速度慢，温度比较高。

图3 X、Y截面速度等值线图及流线图

3 结论

计算结果表明，两种送风形式的平均温度均达到了设计要求，但垂直向下送风形式下在第2、3层设备1壁面临近区域大部分温度超过100 ℃，甚至达到180 ℃，而斜下送风形式下的设备1除了极少部分壁面临近区域外，其余壁面临近区域温度都控制在100 ℃以内。斜向下送风形式下相对于垂直向下送风形式，设备1壁面临近区域最高温度大约降低了44.4%。所以，斜向下送风形式更有利于该多层机舱进行散热，从而改善舱室内的热环境，为船上人员提供较为舒适的工作环境及较好的设备运行环境。