南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

王 朋

（上海和創(chuàng)船舶工程有限公司，上海 200126）

南極磷蝦資源具有巨大的開發(fā)和利用潛力，積極參與南極磷蝦漁業(yè)開發(fā)，可有效促進(jìn)我國(guó)遠(yuǎn)洋漁業(yè)的發(fā)展[1]。綜合考慮經(jīng)濟(jì)節(jié)能等問題，建議采用較低的溫度（-30 ℃及以下）凍藏可以最大限度保持南極磷蝦的品質(zhì)[2]。我國(guó)極地漁業(yè)起步較晚，南極磷蝦的加工能力與質(zhì)量不高成為我國(guó)南極磷蝦捕撈的一大瓶頸[3]。南極磷蝦船貨艙的快速冷凍能力在南極磷蝦的加工流程中顯得極為重要?，F(xiàn)階段南極磷蝦船貨艙內(nèi)氣流布局存在不合理，造成貨艙溫度場(chǎng)不均勻、耗能高等缺陷。一般采用直接試驗(yàn)的方法測(cè)量貨艙內(nèi)部冷空氣流場(chǎng)數(shù)據(jù)，再根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)來改進(jìn)貨艙流場(chǎng)設(shè)計(jì)。計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD） 是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種數(shù)值計(jì)算工具，用于求解流體的流動(dòng)和傳熱問題[4]。近年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的提升，CFD 應(yīng)用在冷庫溫度場(chǎng)的研究技術(shù)越來越成熟，CFD 具有諸多優(yōu)勢(shì)，相對(duì)試驗(yàn)而言所耗費(fèi)的建造成本和驗(yàn)證周期得到極大的縮短[5-6]。20世紀(jì)70 年代CFD 首先出現(xiàn)于美國(guó)，而實(shí)際進(jìn)行較廣泛的商業(yè)使用則是在近幾年。隨著CFD 學(xué)科的蓬勃發(fā)展，CFD 商業(yè)軟件也應(yīng)運(yùn)而生。目前CFD 軟件群已經(jīng)作為處理各種復(fù)雜流體流動(dòng)和傳熱等問題的強(qiáng)大軟件，成功運(yùn)用在航天設(shè)計(jì)、汽車設(shè)計(jì)和船舶設(shè)計(jì)等諸多工程技術(shù)科研領(lǐng)域。在CFD 軟件的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的Fluent軟件，從使用者的需求視角考慮，用以應(yīng)對(duì)不同類型的復(fù)雜流動(dòng)問題，F(xiàn)luent 軟件群使用了與眾不同的技術(shù)和方法，以便于在特定的技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中使計(jì)算速度、安全性和準(zhǔn)確度等方面獲得最佳結(jié)合，以便于高質(zhì)量地處理各個(gè)方面的復(fù)雜流體計(jì)算問題。CFD 模擬方法可有效分析船舶艙室內(nèi)熱環(huán)境[7]，用于了解船舶貨艙的通風(fēng)情況。

CFD 是建立在經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)與數(shù)值計(jì)算方法基礎(chǔ)之上的一門新型獨(dú)立學(xué)科，其基本原理就是對(duì)流體流動(dòng)的控制方程進(jìn)行數(shù)值解析，得出流場(chǎng)在連續(xù)區(qū)域上的離散分布，從而近似模擬流體流動(dòng)情況。數(shù)值模擬通常包含以下幾個(gè)主要環(huán)節(jié)：建立數(shù)學(xué)物理模型、數(shù)值算法求解、結(jié)果可視化[8]。目前，CFD 數(shù)值模擬已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛運(yùn)用到冷庫和船舶貨艙流場(chǎng)的研究。2007 年，安毓輝等[9]通過對(duì)裝載風(fēng)冷式冷藏集裝箱貨艙內(nèi)氣流的CFD 模擬計(jì)算和實(shí)例驗(yàn)證，了解貨艙內(nèi)氣流流場(chǎng)的變化情況，對(duì)送風(fēng)和抽風(fēng)兩種模式在貨艙溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、氣流分布不均勻系數(shù)、排熱效率和通風(fēng)阻力等各方面進(jìn)行了比較分析，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的建議。2009 年，孔丁峰等[10]對(duì)集裝箱船貨艙內(nèi)氣流的速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，提出了優(yōu)化通風(fēng)量的建議。2010 年，胡耀華等[11]以一間裝配式冷庫為研究對(duì)象，用CFD 技術(shù)模擬了冷風(fēng)機(jī)出風(fēng)口布置和貨物的堆放方式對(duì)冷庫溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響，并提出對(duì)冷風(fēng)機(jī)的安裝位置和貨物的擺放方式的優(yōu)化建議。同年，HO S H 等[12]建立某冷藏庫的三維模型與等效的二維模型，對(duì)其內(nèi)部氣流及傳熱等進(jìn)行數(shù)值模擬，研究發(fā)現(xiàn)，通過使用更高的吹風(fēng)速度或?qū)⒗鋮s裝置放置在更低、更靠近產(chǎn)品包裝陣列的位置，可以實(shí)現(xiàn)制冷空間更好的冷卻效率和溫度均勻性。2011 年，鐘曉暉等[13]建立一個(gè)小型冷庫模型，用CFD 仿真技術(shù)模擬了冷庫內(nèi)部啟動(dòng)機(jī)組遇冷下庫內(nèi)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，提出風(fēng)速越大，預(yù)冷效果越好。2013 年，AKDEMIR S 等[14]建立了不同冷庫的CFD 模型，對(duì)比后發(fā)現(xiàn)有制冷空調(diào)系統(tǒng)的冷庫流場(chǎng)分布比較好。2020 年，黃海嘯等[15]以某型滿足ABSIRCC-SP 符號(hào)冷藏集裝箱船的貨艙通風(fēng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，運(yùn)用CFD 方法進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)分析，可以清晰地了解流場(chǎng)分布、通風(fēng)阻力和風(fēng)量分配等信息，以此評(píng)估通風(fēng)方案的優(yōu)劣，并指導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。2021 年，馬志艷等[16]以吊頂式小型冷庫為研究對(duì)象，對(duì)冷庫預(yù)冷時(shí)風(fēng)機(jī)的不同擺放位置下庫內(nèi)溫度場(chǎng)的降溫特性、流場(chǎng)的流動(dòng)曲線進(jìn)行深入研究，模擬實(shí)驗(yàn)揭示了風(fēng)機(jī)不同擺放位置下此小型冷庫預(yù)冷的變化狀態(tài)，并提出風(fēng)機(jī)與門相對(duì)布置最優(yōu)。

通過上述綜述可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)的研究相對(duì)較淺且缺乏比較系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)論證。國(guó)外因南極磷蝦船技術(shù)封鎖，大多研究對(duì)象為冷庫，針對(duì)南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)的數(shù)值模擬基本沒有公開的參考文獻(xiàn)。南極磷蝦大多采用船上低溫運(yùn)輸，然而，在儲(chǔ)藏、流通過程中，由冷凍儲(chǔ)藏設(shè)備故障導(dǎo)致冷凍溫度變化的情況并不少見[17]。由此可見，一個(gè)可靠的南極磷蝦船冷凍貨艙在南極磷蝦的儲(chǔ)藏和加工環(huán)節(jié)中顯得尤為重要。為設(shè)計(jì)合理的南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)，基于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的研究成果，本文主要以南極磷蝦船冷凍貨艙為研究目標(biāo)，此冷凍艙共有兩個(gè)設(shè)計(jì)亮點(diǎn)：①將盤管設(shè)置在冷風(fēng)機(jī)的出口處，并在冷風(fēng)機(jī)室的部分位置設(shè)置回風(fēng)格柵；②在貨艙地板表層設(shè)有很多與通風(fēng)出口相通的小孔。采用CFD 軟件對(duì)該貨艙的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)模擬結(jié)果，找出貨艙通風(fēng)較差的位置，通過調(diào)整該位置的擋風(fēng)板和通風(fēng)入口面積對(duì)貨艙進(jìn)行優(yōu)化，并進(jìn)行實(shí)體模型驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證貨艙管路鋪設(shè)方案的可行性，為后續(xù)南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

1 研究對(duì)象和目標(biāo)

1.1 艙室模型

根據(jù)實(shí)際工程圖紙整理的南極磷蝦船貨艙的各參數(shù)如表1 所示，根據(jù)貨艙尺寸，在Solidworks 2018 軟件中建立貨艙幾何模型，其中包括貨艙艙壁、擋風(fēng)條、通風(fēng)地板、擋風(fēng)板、立柱和管路等結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。貨艙上下空間通過通風(fēng)地板上的若干通風(fēng)小孔上下貫通，建立貨艙地板下方擋風(fēng)板布置和管路鋪設(shè)模型如圖2 所示，貨艙空艙時(shí)風(fēng)機(jī)冷空氣流動(dòng)示意圖如圖3 所示。

圖1 貨艙模型

圖2 貨艙通風(fēng)地板下方擋風(fēng)板布置和管路鋪設(shè)模型

圖3 空艙冷空氣流動(dòng)示意圖

表1 貨艙參數(shù)表

1.2 問題分析

現(xiàn)階段我國(guó)所使用的南極磷蝦船大多為國(guó)外的二手船[17]。我國(guó)南極磷蝦產(chǎn)業(yè)起步晚，科研主體小，基礎(chǔ)研究薄弱，尚未掌握船上加工的核心技術(shù)[18]。南極磷蝦船貨艙經(jīng)常出現(xiàn)由于流場(chǎng)布置不合理，導(dǎo)致溫度場(chǎng)不均勻、耗能高等問題。國(guó)內(nèi)外在南極磷蝦船設(shè)計(jì)之初針對(duì)貨艙流場(chǎng)完整的數(shù)值模擬成果較少。因此，本文主要研究了南極磷蝦船貨艙設(shè)計(jì)之初，其管路鋪設(shè)、擋風(fēng)板設(shè)計(jì)位置，以及通風(fēng)入口面積對(duì)貨艙流場(chǎng)的影響，并通過優(yōu)化擋風(fēng)板設(shè)計(jì)位置和通風(fēng)入口面積解決了因管路遮擋導(dǎo)致的貨艙流場(chǎng)設(shè)計(jì)不合理的難題。

2 計(jì)算模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

本研究主要是基于流場(chǎng)分析，“RNG k-ε”湍流模型在空調(diào)、船舶通風(fēng)流場(chǎng)分析等工程中應(yīng)用較多，所以本研究采用“RNG k-ε”湍流模型，并做出以下假設(shè)。

（1）選擇流體介質(zhì)屬性為空氣，比熱為1 kJ/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為0.023 W/（m·℃），密度為1.29 kg/m3。

（2）貨艙內(nèi)空氣馬赫數(shù)較低，其密度變化也很低，所以默認(rèn)空氣在變化的過程中，密度基本不變，符合Boussinesq 假設(shè)。

（3）通風(fēng)入口速度簡(jiǎn)化為均勻出風(fēng)。

在以上假設(shè)的前提下，在直角坐標(biāo)系下聯(lián)立流體力學(xué)三大方程和“k-ε”兩方程作為計(jì)算方程組。其中，動(dòng)量守恒方程見式（1）。

式中，ρ 為流體密度；t 為時(shí)間；v 為速度矢量；? 為通用變量（如速度、溫度等）；Γ 為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S 為廣義源項(xiàng)。

質(zhì)量守恒方程見式（2）。

式中，ρ 為流體密度；t 為時(shí)間；u 為速度矢量。采用有限體積法對(duì)上述控制方程離散求解。本文在傳熱方面主要考慮牛頓冷卻定律，其公式如下。

式中，q 為熱流密度；h 為物質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)；Φ 為傳熱功率（單位時(shí)間內(nèi)通過傳熱面的熱量）；A 為傳熱面積；t 為時(shí)間。

2.2 網(wǎng)格劃分

該貨艙網(wǎng)格總數(shù)量為7.81 × 106，先將貨艙整個(gè)空間分為3 個(gè)部分（圖4）。在ICEM CFD 軟件中定義貨艙每個(gè)部分的網(wǎng)格大小，自動(dòng)生成四面體網(wǎng)格；對(duì)每個(gè)空間內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行單獨(dú)劃分，貨艙空間、貨艙通風(fēng)地板上方和下方空間，以及通風(fēng)小孔的網(wǎng)格分布情況如圖4 至圖7 所示。其中通風(fēng)地板上方網(wǎng)格總數(shù)為5.43×106，通風(fēng)地板下方網(wǎng)格總數(shù)為

圖4 貨艙空間分割圖

圖5 通風(fēng)地板上方網(wǎng)格分布圖

圖6 通風(fēng)地板下方網(wǎng)格分布圖

圖7 通風(fēng)小孔網(wǎng)格分布圖

2.3 邊界條件設(shè)置

（1）將冷空氣入口設(shè)為速度入口邊界，速度大小為空氣流量與出口面積的比值，貨艙流量為96 000 m3/h?；仫L(fēng)口設(shè)置為壓力出口邊界，二者溫度設(shè)置為-35 ℃。合并兩個(gè)相鄰空間的面，設(shè)為interface，空氣能夠自由穿過。

（2）近壁處理引入標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)，壁面條件采用對(duì)流熱傳導(dǎo)邊界條件，壁面材料按照實(shí)際采用的材料輸入，各艙壁熱力學(xué)參數(shù)如表2 所示。關(guān)于熱力學(xué)參數(shù)，如果實(shí)際溫差大于所給工況，在速度場(chǎng)不變情況下，艙壁傳熱量增加，冷卻速度受影響，放緩速度隨溫差改變程度而變。

表2 貨艙各壁面的熱力學(xué)參數(shù)

2.4 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證

為了排除網(wǎng)格密度對(duì)貨艙流場(chǎng)和溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的影響，對(duì)貨艙進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，3 組不同密度的網(wǎng)格分別命名為mesh-coarse、mesh-medium和mesh-fine，貨艙網(wǎng)格尺寸逐漸減小25%，對(duì)應(yīng)網(wǎng)格數(shù)量分別為2.8 × 106、5.48 × 106和9.74 × 106。并在貨艙中任意設(shè)置4 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)如表3 所示。2.12×106，通風(fēng)地板開孔和遠(yuǎn)端通風(fēng)處網(wǎng)格總數(shù)為2.6×105。

從表3 數(shù)據(jù)可以看出，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度及溫度變化不大，表明上述劃分的網(wǎng)格密度并不會(huì)影響貨艙內(nèi)空氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果。

表3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

3 數(shù)值模擬與優(yōu)化

3.1 通風(fēng)地板上方空間模擬結(jié)果

首先將上節(jié)的計(jì)算模型導(dǎo)入Fluent 軟件，用SIMPLE 算法對(duì)壓力和速度進(jìn)行耦合。采用標(biāo)準(zhǔn)初始化方法，進(jìn)行計(jì)算，直到計(jì)算收斂后，模擬結(jié)束，處理結(jié)果。本次計(jì)算主要針對(duì)空艙情況，要求空艙狀態(tài)下貨艙的溫度能達(dá)到設(shè)計(jì)溫度-35 ℃。先對(duì)貨艙地板上方空間H =3.50 m（0.5 倍貨艙高度）剖面和船艙中縱剖面的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以H=3.50 m（0.5 倍貨艙高度）剖面為例，如圖8 所示。

圖8 H=3.50 m（0.5 倍貨艙高度）剖面（從左往右依次為速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)。）

從圖8 可看出貨艙上部空間部分區(qū)域存在送風(fēng)死角，溫度場(chǎng)大體趨于均勻，由于冷空氣入口在貨艙地板下方，所以重點(diǎn)分析通風(fēng)地板下方的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

3.2 通風(fēng)地板下方空間優(yōu)化前后對(duì)比

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)通風(fēng)地板下方送風(fēng)死角和溫度場(chǎng)較高的位置進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整方式有兩種：①增加通風(fēng)入口面積，調(diào)整入口通風(fēng)速度，其中送風(fēng)速度在整個(gè)入口內(nèi)均勻送風(fēng)；②調(diào)整地板下方擋風(fēng)板，使冷空氣能夠流入低速區(qū)域，通風(fēng)入口無法吹過的區(qū)域，建立擋板引導(dǎo)冷空氣流過。通風(fēng)地板下方調(diào)整前后模型和優(yōu)化前后的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)如圖9 至圖11 所示。

圖9 修改前后模型（左為修改前，右為修改后。）

圖10 流場(chǎng)分布（左為修改前，右為修改后。）

圖11 溫度場(chǎng)分布（左為修改前，右為修改后。）

由圖9 至圖11 計(jì)算結(jié)果可以看出，調(diào)整后，通風(fēng)地板下方空氣的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)有了很大的改進(jìn)，通風(fēng)入口的增加，使擋風(fēng)板間的風(fēng)速下降，除個(gè)別狹窄區(qū)域，風(fēng)速基本下降到5 m/s。同時(shí)，舷側(cè)管道較多的區(qū)域進(jìn)入了大量的冷空氣，管道縫隙內(nèi)和擋板撤掉位置流場(chǎng)得到了很好的改善。流場(chǎng)的改進(jìn)帶動(dòng)溫度場(chǎng)的優(yōu)化，未優(yōu)化前，管路遮擋的區(qū)域溫度比其他區(qū)域高2～3 ℃，優(yōu)化后，該區(qū)域溫度與其他位置相同。結(jié)果表明此次調(diào)整起到了很好的優(yōu)化作用。

3.3 優(yōu)化后貨艙關(guān)鍵平面數(shù)值模擬

經(jīng)過上節(jié)通風(fēng)地板下?lián)躏L(fēng)板布置和通風(fēng)入口面積的優(yōu)化工作，貨艙內(nèi)的空氣流動(dòng)和溫度場(chǎng)分布變得更為合理。本節(jié)給出優(yōu)化后貨艙內(nèi)關(guān)鍵平面的壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)信息。其中貨艙所觀察的剖面為H=0.18 m（地板下管路軸線高度）、H=3.50 m（0.5 倍貨艙高度）、船艙中縱剖面和地板開孔中間剖面。如圖12 和圖13 所示，剖面圖以H =0.18 m剖面與H=3.50 m 剖面為例。

由圖12 和圖13 可以看出：

圖12 H=0.18 m（地板下管路軸線H）剖面結(jié)果（從上往下依次為壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)。）

圖13 H=3.50 m（地板下管路軸線H）剖面結(jié)果（從上往下依次為壓力場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)。）

（1）由于整個(gè)貨艙內(nèi)的空間由通風(fēng)小孔上下連通，因此貨艙內(nèi)的壓力變化并不大，整體氣壓都接近大氣壓強(qiáng)；貨艙地板下方雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壓強(qiáng)分布稍有不同，但相差很小，差值均在30 Pa 以內(nèi)。

（2）貨艙速度場(chǎng)經(jīng)過優(yōu)化，通風(fēng)地板下空氣流動(dòng)比較均勻，貨艙風(fēng)速均控制在要求范圍內(nèi)；通風(fēng)地板上貨艙風(fēng)速較為均勻，通風(fēng)地板開孔內(nèi)風(fēng)速在4 m/s 左右。

（3）貨艙溫度場(chǎng)經(jīng)過優(yōu)化，貨艙溫度能達(dá)到冷空氣設(shè)計(jì)溫度；通風(fēng)地板上方空間溫度較為平均。

3.4 溫度場(chǎng)云圖單位換算

本計(jì)算中溫度場(chǎng)的云紋圖數(shù)值均采用開爾文溫度值，其與攝氏溫度的數(shù)值有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系。

式中，T 表示開爾文溫度；t 表示攝氏度。

3.5 實(shí)驗(yàn)值驗(yàn)證

為驗(yàn)證貨艙空艙時(shí)冷凍能力的可靠性，在出風(fēng)口處布置測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為TS1～TS4，在艙內(nèi)中部上下不同位置布置測(cè)點(diǎn)，編號(hào)為TS5～TS12，如圖14 所示，進(jìn)行實(shí)測(cè)驗(yàn)證。并給出貨艙在南極磷蝦船中的實(shí)際位置，如圖15 所示。

圖14 TS 監(jiān)控點(diǎn)示意圖

圖15 貨艙實(shí)際位置圖

通過實(shí)驗(yàn)得出貨艙8 月某時(shí)刻實(shí)測(cè)溫度如表4所示。根據(jù)表4 數(shù)據(jù)可知貨艙實(shí)際達(dá)到穩(wěn)定設(shè)計(jì)溫度（-35 ℃）的時(shí)間大約在23 ∶28。再通過軟件模擬計(jì)算得出該時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)達(dá)到的模擬溫度如表5 所示。表4 和表5 中的結(jié)果表明最終貨艙達(dá)到穩(wěn)定溫度時(shí)的模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好，均符合設(shè)計(jì)要求。

表4 貨艙8 月21—22 日截取時(shí)段實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表單位：℃

表5 貨艙23：28 時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)表單位：℃

4 貨艙滿艙流動(dòng)模擬

4.1 滿艙冷空氣流動(dòng)結(jié)果

對(duì)貨艙滿艙流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，貨艙滿艙模型如圖16 所示，為模擬最不利的情況，找出貨艙中冷空氣流動(dòng)相對(duì)較差的位置，對(duì)0.5 倍貨艙高度位置截面處遠(yuǎn)風(fēng)端、舷側(cè)和近風(fēng)端流動(dòng)情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)舷側(cè)位置的通風(fēng)情況比較差，如圖17 所示。近通風(fēng)孔艙壁處相對(duì)流速較高，達(dá)到3～5 m/s，該處通風(fēng)較好，同時(shí)近端艙壁溫度較低，傳熱較少，因此該位置貨物容易冷藏；遠(yuǎn)端雖然相對(duì)風(fēng)速較低，但也能保持2～4 m/s 的風(fēng)速，且通風(fēng)面積大，因此保持了較高的流量；舷側(cè)位置相對(duì)風(fēng)速稍低，舷側(cè)風(fēng)速為1～3 m/s。

圖16 貨艙滿艙模型

圖17 貨艙滿載后舷側(cè)流場(chǎng)分布圖

4.2 貨艙滿艙冷卻過程分析

為分析南極磷蝦船貨艙的冷凍能力，挑選4.1節(jié)中通風(fēng)最為不利的位置，對(duì)滿艙情況下貨物的冷卻過程進(jìn)行CFD 模擬，貨艙由-33 ℃冷卻到-35 ℃，艙內(nèi)放入凍蝦大貨包，其比熱為1.84 kJ/（kg·℃），導(dǎo)熱系數(shù)為1.67 W/（m·℃）。進(jìn)行滿艙模擬時(shí)，凍蝦大貨包堆放在單一貨物最上方的邊緣位置。對(duì)貨艙凍蝦大貨包由-33 ℃冷卻到-35 ℃的冷卻過程進(jìn)行分析，凍蝦大貨包分布位置和冷卻過程如圖18所示，圖中分別展示0 min、20 min、40 min 和60 min時(shí)的凍蝦大貨包溫度場(chǎng)的變化，觀察截面為凍蝦大貨包1/2 高度處的水平剖面。通過CFD 模擬，得到了南極磷蝦船貨艙的冷卻過程，圖18 中的4 個(gè)紅色方塊為-33 ℃的凍蝦標(biāo)準(zhǔn)尺寸大貨包，其冷卻假定僅依靠外部和頂部?jī)蓚€(gè)面來進(jìn)行熱傳遞，從圖中可以看出其冷卻過程是由外向內(nèi)逐漸變化。當(dāng)大貨包進(jìn)入貨艙20 min 后，整體溫度已經(jīng)接近-35 ℃。1 h 后，大貨包溫度已經(jīng)達(dá)到貨艙設(shè)計(jì)溫度。從最不利情況下的凍蝦大貨包的冷卻過程可以看出，南極磷蝦船貨艙的冷凍能力是可靠的。

圖18 貨艙凍蝦大貨包冷卻過程

5 結(jié) 論

本文以南極磷蝦船貨艙為研究對(duì)象，通過對(duì)比擋風(fēng)板設(shè)計(jì)位置和通風(fēng)面積優(yōu)化前后的貨艙空艙冷凍效果，解決了貨艙管路遮擋問題，并綜合考慮在通風(fēng)相對(duì)較差的位置對(duì)凍蝦大貨包進(jìn)行冷卻過程的模擬，得出以下幾個(gè)結(jié)論。

（1）南極磷蝦船貨艙在未改進(jìn)之前，模擬結(jié)果表明貨艙通風(fēng)地板下方的確存在部分位置的冷空氣流場(chǎng)分布不合理，管路遮擋的區(qū)域溫度比其他區(qū)域高2～3 ℃。通過對(duì)該位置擋風(fēng)板和通風(fēng)面積進(jìn)行調(diào)整，貨艙的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)趨于穩(wěn)定均勻，除個(gè)別狹窄區(qū)域，風(fēng)速基本下降到5 m/s，貨艙的冷卻溫度能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)溫度-35 ℃。對(duì)于由管路遮擋導(dǎo)致船舶貨艙內(nèi)流場(chǎng)不穩(wěn)定的問題的解決，研究證明該優(yōu)化方案是有效的。同時(shí)，該貨艙的管路鋪設(shè)方案經(jīng)過設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化后也是可行的，對(duì)后續(xù)南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)的升級(jí)優(yōu)化提供一定的參考。

（2）當(dāng)大貨包進(jìn)入貨艙20 min 后，整體溫度已經(jīng)接近-35 ℃。1 h 后，大貨包溫度已經(jīng)達(dá)到貨艙設(shè)計(jì)溫度。從最不利位置的冷卻過程可以看出，貨艙冷凍能力是可靠的。美中不足的是缺乏磷蝦大貨包實(shí)驗(yàn)樣本，本文在滿艙貨物冷卻過程的分析中缺少模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，這將在后面的工作中進(jìn)一步研究。

（3）傳統(tǒng)測(cè)流場(chǎng)的方法誤差大，耗時(shí)多，運(yùn)用CFD 模擬技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)試驗(yàn)方法的不足，對(duì)于解決南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)設(shè)計(jì)難題具有實(shí)質(zhì)性意義。國(guó)內(nèi)外針對(duì)南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬比較少，本文的模擬思路主要是通過尋找貨艙的流動(dòng)差（流場(chǎng)差），從而發(fā)現(xiàn)貨艙溫度場(chǎng)不均勻處，輻射等影響因素對(duì)南極磷蝦船貨艙溫度場(chǎng)的影響有待進(jìn)一步研究。本文所用方法和思路可為后續(xù)學(xué)者優(yōu)化南極磷蝦船貨艙流場(chǎng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。