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)展至關重要，計算流體力學(CFD)技術已經(jīng)被廣泛應用于船舶領域的相關研究中，如通風系統(tǒng)設計與優(yōu)化[7]、艙室內部空氣品質[8]，使用CATIA構建潛艇艙室模型，研究水面與水下的艙室冬夏兩季的氣流組織[9]，利用CFD技術對艦船典型的居住艙室內的氣流組織進行優(yōu)化[10]，利用CFD技術研究送風角度、送風溫度和送風量對居住艙室空氣品質的影響[11]，研究不同的送風方向對艙室內部氣流組織的影響[12]。為設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氣流組織的影響以及室內濕度、溫度、速度等參數(shù)，探討較好的送風方案。

1 干衣室設計原理

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)路構成，如圖1(Ⅰ)所示。干衣室模塊包括設有柜門的干燥室、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。干燥室設有掛桿，背部開設有熱風送風口，與送風管道相連接。右側底部設有去濕風口，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)路上的第六閥門關閉，輔助支路上的第一、第二閥門關閉。循環(huán)工質水在第一循環(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、第二閥門關閉。循環(huán)工質水在第一循環(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3～5 min，對干衣室內進行降溫排濕，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。干衣室內設有可升降掛衣桿，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)格劃分采用非結構化六面體網(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，將干衣室內空氣流動作為常規(guī)室內氣流組織,數(shù)學模型假設條件如下。

1)干衣室內空氣為不可壓縮流體，并且滿足Boussinesq假設。

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，認為干衣室內除了進、排風口外，氣密性良好。

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

醫(yī)養(yǎng)結合的養(yǎng)老設施應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)老設施應該構建安全的通行結構，來保證老年人安全出行。

由于室內流體流動狀態(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)設置見表1。

表1 風口設計參數(shù)

3 模擬結果

3.1 不同送風方式

在干衣室內，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)送風時干衣室內衣物表面濕度最大，排風口處濕度很低，衣物內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，衣物遠離風口側產(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左側含濕量分布大，右側尤其是排風口附近的含濕量很小。在衣物的阻擋下，左側的濕空氣難排出，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)，右側靠近排風口處的區(qū)域充滿豐富的射流，而左側幾乎沒有空氣流動，形成“送風死角”，水蒸氣不能及時排出，導致左側的衣物很難干燥，驗證了圖8a)中左右兩側濕度差異大的現(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，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。