摘　要：某船舶噴涂車(chē)間配置頂面熱水輻射供暖系統(tǒng)(輻射板表面溫度為47℃，避免了可燃粉塵、可燃?xì)怏w因溫度過(guò)高而發(fā)生的自燃、爆炸危險(xiǎn))與機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。采用STAR-CCM+軟件，對(duì)車(chē)間室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)、工件表面溫度、車(chē)間內(nèi)氣流速度場(chǎng)進(jìn)行了模擬。車(chē)間室內(nèi)空氣溫度范圍為25～27℃，主要工作區(qū)氣流流速范圍為0.50～0.55m／s。

關(guān)鍵詞：船舶噴涂車(chē)間；  頂面熱水輻射供暖；  溫度場(chǎng)；　速度場(chǎng)

Flow-field Simulation of Ship Painting Workshop Using Hot Water Radiant Ceiling Heating System

Abstract：A ship painting workshop is equipped with a hot water radiant ceiling heating system，radiant panel surfaee temperature of 47℃．avoiding spontaneous combustion and explosion caused by too high temperature of combustible dust and combustible gas)and a mechanical ventilation system．The air temperature field in the workshop，the workpiece surface temperature and the air velocity field in the workshop are simulated using the STAR-CCM+soflware．The air temperature in the workshop is 25 to 27℃．and the air velocity range in the working area is 0.50 to 0.55m／s．

Keywords：ship painting workshop；hot water radiant ceiling heatin9；temperature field；velocity field

1　概述

船舶涂裝貫穿于整個(gè)造船工藝流程，集化工、流體動(dòng)力、熱工等技術(shù)于一體，在船舶建造中，起著舉足輕重的作用。良好的噴涂環(huán)境是保證噴涂質(zhì)量的關(guān)鍵^[1-2]，噴涂車(chē)間大多為易燃、易爆場(chǎng)所，噴涂過(guò)程中高度分散的漆霧和揮發(fā)出來(lái)的溶劑，既污染環(huán)境又容易引起自燃甚至爆炸^[3]。

目前，對(duì)于這種在生產(chǎn)過(guò)程中散發(fā)可燃?xì)怏w和可燃粉塵的車(chē)間，主要的供暖方式以全新風(fēng)(熱風(fēng))系統(tǒng)為主。采用這種強(qiáng)制對(duì)流的方式，車(chē)間內(nèi)氣流受擾動(dòng)比較大，而且送風(fēng)比較集中，易造成室內(nèi)空氣溫度分布不均勻^[4-5]。輻射供暖近年來(lái)多被高大空間所采用^[6]，輻射板工作的時(shí)候無(wú)吹風(fēng)感，不會(huì)引起粉塵飛揚(yáng)，特別是熱水輻射供暖系統(tǒng)能滿足噴涂車(chē)間特殊的防火防爆及衛(wèi)生要求^[7]。以發(fā)出紅外線的方式向空間放熱，墻壁和地板被加熱后，可向室內(nèi)進(jìn)行二次散熱，因此無(wú)論哪個(gè)位置都不會(huì)感到過(guò)熱^[8]。當(dāng)采用熱水作為供熱介質(zhì)時(shí)，對(duì)于噴涂車(chē)間，可避免燃?xì)廨椛浠螂娸椛涞戎比夹洼椛湓O(shè)備引起的易燃、易爆危險(xiǎn)。本文針對(duì)頂面熱水輻射供暖系統(tǒng)，采用STAR-CCM+軟件(CFD軟件的一種)建立船舶噴涂車(chē)間模型，對(duì)車(chē)間室內(nèi)空氣溫度場(chǎng)、工件表面溫度、車(chē)間內(nèi)氣流速度場(chǎng)進(jìn)行模擬與相關(guān)分析。

2　模型建立

2.1　模型建立與網(wǎng)格劃分

采用STAR-CCM+5.02版本中新增的3D-CAD建模功能建立模型^[9]，避免從外部導(dǎo)入模型的不匹配錯(cuò)誤。車(chē)間的長(zhǎng)×寬×高為80m×30m×12m，默認(rèn)無(wú)門(mén)窗。噴涂工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)已被簡(jiǎn)化，以簡(jiǎn)單長(zhǎng)方體代替，長(zhǎng)×寬×高為24m×12m×4m，置于車(chē)間中部。車(chē)間室內(nèi)初始溫度設(shè)定為-10℃，工件表面初始溫度為-10℃，噴涂適宜的溫度范圍為10～35℃，氣流流速推薦范圍為0.2～0.5m／s。

采用機(jī)械送風(fēng)(未經(jīng)處理的室外空氣)與頂面熱水輻射供暖相結(jié)合的方式，送排風(fēng)口各8個(gè)，分別布置在車(chē)間兩側(cè)80m長(zhǎng)的墻上，一側(cè)為送風(fēng)口，另一側(cè)為排風(fēng)口，距離地面3.5m，尺寸均為115cm×115cm。換氣次數(shù)為5次/h，機(jī)械通風(fēng)速度1m／s。

在模擬計(jì)算供暖熱負(fù)荷時(shí)，僅考慮3m高度以下的主要工作區(qū)域。噴涂車(chē)間冬季室外供暖計(jì)算溫度為-9.8℃，供暖室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為23℃，設(shè)計(jì)供暖熱負(fù)荷為442848W。選取14塊輻射板，每塊輻射板長(zhǎng)36.5m，熱水進(jìn)、出口溫度為93、73℃，總流量為19m³／h。輻射板表面溫度為47℃，單位長(zhǎng)度輻射板散熱量為867W／m，總散熱量為443100W。輻射板安裝高度為11.4m，與最長(zhǎng)的外墻平行放置，靠墻第一排輻射板距墻0.5m³。為簡(jiǎn)化計(jì)算，視每塊輻射板內(nèi)熱水分布均一，僅在流固交界面處有溫度變化。

模型采用多面體網(wǎng)格劃分形式，與傳統(tǒng)網(wǎng)格相比，因有更多的相鄰單元，計(jì)算及預(yù)測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確。利用STAR-CCM+網(wǎng)格劃分中的表面包面功能對(duì)模型進(jìn)行包面，使各個(gè)面封閉，解決表面拓?fù)溴e(cuò)誤。另外，在生成多面體網(wǎng)格前對(duì)模型進(jìn)行表面重構(gòu)，從而減少網(wǎng)格數(shù)量以提高計(jì)算速度。計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1。

2.2　邊界條件的設(shè)定

采用S2S(Surface-to-Surface)輻射換熱模型，忽略車(chē)間內(nèi)空氣對(duì)輻射板輻射能的吸收，模擬輻射板對(duì)車(chē)間內(nèi)工件、地面、墻面的熱輻射過(guò)程，以及車(chē)間內(nèi)主要的流固耦合過(guò)程。以基爾霍夫定律為基礎(chǔ)，由STAR-CCM+軟件可直接計(jì)算各表面的反射率，從而進(jìn)行輻射換熱量計(jì)算。熱源(即輻射板)與各固體表面邊界條件的設(shè)定見(jiàn)表1、2。

3　模擬結(jié)果分析

①室內(nèi)空氣溫度

由于噴涂車(chē)間的溫度與氣流組織分布主要體現(xiàn)在車(chē)間內(nèi)部的流體區(qū)域，因此在模擬計(jì)算前對(duì)模型進(jìn)行抽取內(nèi)部流體空間處理。計(jì)算結(jié)果收斂時(shí)車(chē)間橫截面(中間位置)、縱截面(中間位置)的空氣溫度分布云圖分別見(jiàn)圖2、3。由圖2、3可知，車(chē)間室內(nèi)空氣溫度范圍為25～27℃，接近熱源處溫度較高(在36℃左右)。沿高度方向溫度梯度較小，溫度分布均勻，符合輻射供暖的特點(diǎn)。

由模擬結(jié)果可知，隨著計(jì)算的進(jìn)行，車(chē)間室內(nèi)空氣平均溫度逐漸上升。這是由于氣流與工件表面、地面以及墻面發(fā)生了對(duì)流換熱，在這個(gè)過(guò)程中，各固體表面在吸收了輻射熱后溫度升高，在與氣流的流固耦合中放熱，而氣流區(qū)域以吸收熱量為主，因此室內(nèi)空氣溫度呈上升趨勢(shì)，模擬收斂時(shí)穩(wěn)定在25℃左右，滿足船舶噴涂工藝的需要。

②工件表面溫度

計(jì)算結(jié)果收斂時(shí)工件表面溫度分布云圖見(jiàn)圖4。由圖4可知，計(jì)算結(jié)果收斂時(shí)工件表面溫度在24～25℃，溫度分布均勻，但在工件底部出現(xiàn)了明顯的溫度梯度。筆者認(rèn)為是工件底部與地面接觸處，受輻射角系數(shù)的影響產(chǎn)生了溫度梯度。由模擬結(jié)果可知，工件表面平均溫度呈先升高后下降的趨勢(shì)。模擬開(kāi)始時(shí)，以輻射板對(duì)固體工件表面的輻射作用為主，因此工件表面溫度迅速升高，達(dá)到一定溫度時(shí)，工件開(kāi)始與周?chē)鷼饬靼l(fā)生對(duì)流換熱，溫度有所下降，直至計(jì)算結(jié)果收斂時(shí)，保持在24～25℃。

③氣流流速

車(chē)間縱截面(中間位置)氣流流速分布云圖見(jiàn)圖5。由圖5可知，車(chē)間室內(nèi)主要工作區(qū)氣流流速為0.50～0.55m／s，相對(duì)于推薦值略高。

4　結(jié)論

①由模擬結(jié)果可知，船舶噴涂車(chē)間采用頂面熱水輻射供暖系統(tǒng)時(shí)，室內(nèi)空氣溫度維持在25～27℃，高度方向的溫度梯度小，能滿足噴涂工藝要求。

②主要工作區(qū)氣流流速為0.50～0.55m／s．工作區(qū)流線分布相對(duì)稀疏，噴涂時(shí)對(duì)可燃?xì)怏w、可燃粉塵等擾動(dòng)小，大大降低了發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。

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本文作者：尚少文  郭冠維  劉兵紅  鄒崴

作者單位：沈陽(yáng)建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院