某600 t海巡船干衣室氣流組織數(shù)值模擬

顧鑫鑫，郭月姣，石大川，馮國增

(江蘇科技大學 能源與動力學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

由于海上天氣多陰雨，空氣濕度大，船舶甲板上沒有足夠空間晾曬衣服，所以越來越多的船舶配備干衣室。但目前船用干衣室存在耗能高、烘干不均勻、耗時長且對衣物損傷大等問題[1-2]，為了提高干衣室的干燥性能，有學者提出用正反交替旋轉(zhuǎn)變參數(shù)的方式達到節(jié)能、高效烘干衣物的目的[4]，有學者通過采取余熱回收利用、風路改造和增加熱管熱交換裝置等措施對干衣機進行節(jié)能改造[5]，增加循環(huán)風量、新風比例和制冷劑充注量以提高熱泵干衣機的干衣速率[6]。但少有關(guān)注送風方式和送風方位對船用干衣室干衣效率的影響分析報道。對促進船舶研究發(fā)展至關(guān)重要，計算流體力學(CFD)技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于船舶領(lǐng)域的相關(guān)研究中，如通風系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化[7]、艙室內(nèi)部空氣品質(zhì)[8]，使用CATIA構(gòu)建潛艇艙室模型，研究水面與水下的艙室冬夏兩季的氣流組織[9]，利用CFD技術(shù)對艦船典型的居住艙室內(nèi)的氣流組織進行優(yōu)化[10]，利用CFD技術(shù)研究送風角度、送風溫度和送風量對居住艙室空氣品質(zhì)的影響[11]，研究不同的送風方向?qū)ε撌覂?nèi)部氣流組織的影響[12]。為設(shè)計合理的干衣室送風方式以提高船用干衣室的干衣效率，考慮采用Airpak軟件對600 t海巡船的干衣室進行數(shù)值模擬，分析不同的送風方式和送風方位對室內(nèi)氣流組織的影響以及室內(nèi)濕度、溫度、速度等參數(shù)，探討較好的送風方案。

1 干衣室設(shè)計原理

利用船舶柴油機余熱的干衣機原理見圖1[13]，缸套冷卻水余熱回收模塊由加熱環(huán)路和非加熱環(huán)路構(gòu)成，如圖1(Ⅰ)所示。干衣室模塊包括設(shè)有柜門的干燥室、循環(huán)風機、送風管道、排風管道和空氣-水換熱器組成，如圖1(Ⅱ)所示?；責崞髂K由新風口、排風口和重力式熱管換熱器組成，如圖1(Ⅲ)所示。重力式熱管換熱器上半段為冷凝段，下半段為蒸發(fā)段。干燥室設(shè)有掛桿，背部開設(shè)有熱風送風口，與送風管道相連接。右側(cè)底部設(shè)有去濕風口，與排風管道相連接；底部連接有一段伸出柜體外的排水彎?？諝?水換熱器安裝在送風管道加熱段。

圖1 干衣機原理示意

當干衣室工作時，加熱環(huán)路上的第五、第七閥門打開，非加熱環(huán)路上的第六閥門關(guān)閉，輔助支路上的第一、第二閥門關(guān)閉。循環(huán)工質(zhì)水在第一循環(huán)水泵的作用下，從集水器中流出，依次流經(jīng)第三閥門、第一過濾器、第一循環(huán)水泵、第四閥門、第一流量計、第一溫度計后流入缸套冷卻水換熱器中柴油機缸套冷卻水入口，從柴油機缸套冷卻水出口流出后依次流經(jīng)第二溫度計、第五閥門、第二流量計、第三溫度計后，進入空氣-水換熱器加熱空氣，之后流經(jīng)第七閥門回到集水器。

室外新風從新風口進入，經(jīng)過熱管換熱器冷凝段被預熱, 然后在循環(huán)風機的作用下進入送風管，從送風加熱段內(nèi)的空氣-水換熱器吸熱成為高溫干燥空氣；高溫干燥空氣通過送風管送風段輸送到熱風口，通過梳狀送風管道均勻送風，在干燥室內(nèi)與潮濕的衣服進行熱濕交換；之后濕熱空氣流經(jīng)去濕風口進入排風管，接著流過熱管換熱器蒸發(fā)段進行余熱回收，最后攜帶大量水分經(jīng)排風口排出，濕衣物滴落的液態(tài)水以及冷凝水流至排水彎，干衣結(jié)束后打開泄流閥排出。

當干衣室停止工作時，加熱環(huán)路上的第五閥門、第七閥門關(guān)閉，非加熱環(huán)路上的第六閥門打開，輔助支路上的第一閥門、第二閥門關(guān)閉。循環(huán)工質(zhì)水在第一循環(huán)水泵的作用下，從集水器中流出，依次流經(jīng)第三閥門、第一過濾器、第一循環(huán)水泵、第四閥門、第一流量計、第一溫度計后流入柴油機缸套冷卻水入口，從柴油機缸套冷卻水出口流出后依次流經(jīng)第二溫度計、第六閥門，之后流入集水器。此時，軸流風機正常運轉(zhuǎn)3～5 min，對干衣室內(nèi)進行降溫排濕，最后停機。

2 數(shù)值模擬模型

船用干衣室的三維裝配圖見圖2。干衣室壁面材料采用彩鋼板，中間填充5 cm厚的聚苯乙烯泡沫板，這既保證干衣室的機械強度，又有良好的保溫效果。干衣室內(nèi)部的幾何模型見圖3，其外形尺寸為：1.6 m×1.0 m×1.8 m，在干衣室背面中央靠上位置布置有一矩形熱風口，長1.4 m，寬0.4 m，在側(cè)面中央靠下部布置有一矩形去濕風口，長0.7 m，寬0.7 m。干衣室內(nèi)設(shè)有可升降掛衣桿，待干燥的濕衣物均勻掛在掛衣桿上，可根據(jù)待干燥衣物的數(shù)量、堆放密度來調(diào)整掛衣桿的高度和方向，有利于提高干衣效率，優(yōu)化干燥過程。為展示衣物散濕量與散濕速率，在衣物模型的相同位置建立體源項。

圖2 船用干衣室三維呈現(xiàn)

圖3 干衣室?guī)缀文Ｐ?/p>

2.1 不同通風方式模型

如圖4a)所示，目前船用干衣室常用的送風方式(常規(guī)送風)為矩形格柵送風口(或加導流片)，在工程實際中，這種常規(guī)送風方式常常會發(fā)生送風不均勻的現(xiàn)象，衣物局部溫度高，不僅容易損傷衣物，而且排風不暢，干衣速度低，節(jié)能效果不佳。因此，提出梳狀送風和孔板送風兩種送風方式，如圖4b)、4c)。網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，并且對所有衣物、體源以及風口處的網(wǎng)格進行加密處理。

2.2 數(shù)學模型

在不考慮船舶正常航行對干衣室的影響，將干衣室內(nèi)空氣流動作為常規(guī)室內(nèi)氣流組織,數(shù)學模型假設(shè)條件如下。

1)干衣室內(nèi)空氣為不可壓縮流體，并且滿足Boussinesq假設(shè)。

2)假定流場具有較高的紊流雷諾數(shù)，流體的粘性具有各向同性。

3)不考慮漏風影響，認為干衣室內(nèi)除了進、排風口外，氣密性良好。

4)根據(jù)質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律建立相應(yīng)流體運動的控制方程[14]。

醫(yī)養(yǎng)結(jié)合的養(yǎng)老設(shè)施應(yīng)該具備良好的通風條件和日照條件，老年人喜歡曬太陽，因此要保證老年人的休息廳、起居室、療養(yǎng)區(qū)都能夠得到充足的日照。在保證日照的同時還要保證每日日照的時間達到3h以上，尤其是在冬天，老年人的體質(zhì)減弱，而陽光可以增強人體的抵抗力，還可以起到消炎殺毒的作用。對于擁有自理能力的老年人難免會有外出的需要，養(yǎng)老設(shè)施應(yīng)該構(gòu)建安全的通行結(jié)構(gòu)，來保證老年人安全出行。

由于室內(nèi)流體流動狀態(tài)基本為湍流，故選用標準k-ε模型來解決湍流模型的不封閉問題，且考慮重力影響。

2.3 邊界條件

干衣室的熱邊界條件采用第二類邊界條件，所有干衣室壁面采取保溫措施。

1)干衣室的所有壁面均假定為絕熱表面。

2)衣物產(chǎn)生的散濕量平均加載在18個源塊上。針織物在空氣溫度為60 ℃，風速2.5 m/s，壓力0.2 MPa，相對濕度為25%時，干燥30 min的平均散濕速率為4.67 mg/min。

3)源塊在干衣室x方向上均勻布置，回風口布置干衣室側(cè)壁下部，在環(huán)境壓力、溫度條件下回風。出送回風口的尺寸及參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 風口設(shè)計參數(shù)

3 模擬結(jié)果

3.1 不同送風方式

在干衣室內(nèi)，當熱空氣(溫度60 ℃，相對濕度25%)接觸到懸掛的衣物，由于衣物的隔擋和送風壓力的作用，部分熱空氣與衣物發(fā)生熱濕交換，沿衣物向下運動，最后由除濕風口排出。截面(Z=500 mm)的干衣室濕度分布見圖5。

圖5 截面Z=500 mm處干衣室濕度分布

常規(guī)送風時干衣室內(nèi)衣物表面濕度最大，排風口處濕度很低，衣物內(nèi)的水分并不能有效地排出室外，干衣效果不佳。梳狀送風與常規(guī)送風相比，衣物表面水蒸氣濃度已經(jīng)有了明顯的降低，說明梳狀送風比常規(guī)送風的干衣效果更好。而孔板送風干衣室內(nèi)含濕量梯度不大，不利于衣物的干燥。

溫度分布見圖6，在采用孔板送風方式的干衣室內(nèi)，衣物遠離風口側(cè)產(chǎn)生局部超溫的現(xiàn)象，且發(fā)生超溫現(xiàn)象的衣物數(shù)量多，面積大。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是因為孔板的流動阻力比較大，經(jīng)處理過的新風大多從兩側(cè)繞過衣物，少量新風穿過衣物的間隙后，速度和壓力比較小，因而滯留在超溫區(qū)域，導致衣物溫度不斷上升。采用梳狀送風方式和常規(guī)送風方式的干衣室，由于新風穿過衣物間隙后仍具有一定的速度和壓力，在新風的推動下迅速從去濕風口排出，因而較少產(chǎn)生衣物超溫的現(xiàn)象。

圖6 溫度分布云圖

3種送風方式的氣流速度跡線見圖7。

圖7 速度跡線

圖7a)的常規(guī)送風方式中出現(xiàn)了“氣流短路”的問題，熱空氣與衣物未發(fā)生熱濕交換直接從除濕風口排出，進風和排風濕度差過小，易造成干衣室意外停機，降低干衣速率。圖7c)，由于孔板送風送風壓力比較低，出現(xiàn)“送風死角”，干衣室的中間衣物不易干燥，與圖6c)的觀點一致。圖7b)的梳狀送風方式在干衣室形成較好的氣流循環(huán)，并產(chǎn)生了一定的擾流，有利于衣物的干燥。

不同送風方式會影響干衣室內(nèi)氣流運動。在送風口處由于射流作用會卷吸周圍空氣，會產(chǎn)生渦旋阻礙空氣流動，使得不同位置的衣物含水率不一致，導致干衣室內(nèi)衣物干燥不同步。孔板送風方式的流場分布最為均勻，但流速過慢，排風口出現(xiàn)回流現(xiàn)象，不利于空氣排出。而梳狀送風方式和常規(guī)送風方式的差別不明顯，空氣流速都比較快，流場也比較均勻。

3.2 不同送風方位

送風方位也是影響干衣效果的一個重要因素。以下對頂部送風、背面送風兩種送風方位進行數(shù)值模擬，送風方位采用梳狀送風方式，回風口仍布置干衣室側(cè)壁下部。

圖8是截面(Z=500 mm)的干衣室濕度分布平面圖，頂部送風時干衣室內(nèi)左側(cè)含濕量分布大，右側(cè)尤其是排風口附近的含濕量很小。在衣物的阻擋下，左側(cè)的濕空氣難排出，導致衣物干燥不同步，干衣速度慢，效果不佳；而背面送風干衣室排風含濕量較低，可及時將濕蒸汽排出。干衣室內(nèi)衣物表面的溫度分布見圖9。

圖8 截面Z=500 mm處干衣室濕度分布

對比圖9a)和9b)，頂部送風時衣物表面溫度場分布均勻，沒有發(fā)生衣物表面局部超溫的現(xiàn)象，而背面送風下遠離風口側(cè)出現(xiàn)小面積局部高溫現(xiàn)象。

圖9 溫度分布云圖

對比2種送風方位時干衣室的速度跡線，圖10a)中干衣室出現(xiàn)明顯的氣流分區(qū)，右側(cè)靠近排風口處的區(qū)域充滿豐富的射流，而左側(cè)幾乎沒有空氣流動，形成“送風死角”，水蒸氣不能及時排出，導致左側(cè)的衣物很難干燥，驗證了圖8a)中左右兩側(cè)濕度差異大的現(xiàn)象，且排風口附近氣流速度方向向下，易形成豎直的“空氣幕”，阻礙空氣排出，不利于衣物的干燥。而圖10b)中背面送風時干衣室工作區(qū)形成較好的氣流循環(huán)，空氣流場比較均勻，排風更加順暢。說明背部送風比頂部送風利于衣物的干燥，圖9b)中的局部高溫可有效緩解。

圖10 速度跡線圖

4 結(jié)論

1)對比分析3種送風方式下的流場，雖然剛開始孔板送風方式的衣物表面水分蒸發(fā)很快，但是由于潮濕的空氣難以排出，滯留在干衣室內(nèi)，會導致空氣中水蒸氣分壓力不斷升高并阻礙衣物干燥。而梳狀送風方式衣物蒸發(fā)速率較快，排濕速率也很快，因此采用梳狀送風方式。

2)在2種送風方位中，頂部送風溫度場分布較為均勻，衣物干燥速率較為同步，但是在排風口處易形成“空氣幕”，存在氣流死區(qū)無法進行及時排濕，而背面送風排風較順暢，在實現(xiàn)快速干衣的同時，減少能源的浪費和局部高溫對衣物的損傷。

所以，采取梳狀送風方式和背面送風方位能促進衣物干燥，高效節(jié)能，減少對衣物的損傷，有助于提高干衣室的工作性能，提升船員和旅客的著衣舒適度。