摘　要：某船舶噴涂車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、可燃氣體因溫度過高而發(fā)生的自燃、爆炸危險)與機械通風(fēng)系統(tǒng)。采用STAR-CCM+軟件，對車間室內(nèi)空氣溫度場、工件表面溫度、車間內(nèi)氣流速度場進行了模擬。車間室內(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：船舶噴涂車間；  頂面熱水輻射供暖；  溫度場；　速度場

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造船工藝流程，集化工、流體動力、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]，噴涂車間大多為易燃、易爆場所，噴涂過程中高度分散的漆霧和揮發(fā)出來的溶劑，既污染環(huán)境又容易引起自燃甚至爆炸^[3]。

目前，對于這種在生產(chǎn)過程中散發(fā)可燃氣體和可燃粉塵的車間，主要的供暖方式以全新風(fēng)(熱風(fēng))系統(tǒng)為主。采用這種強制對流的方式，車間內(nèi)氣流受擾動比較大，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]。輻射供暖近年來多被高大空間所采用^[6]，輻射板工作的時候無吹風(fēng)感，不會引起粉塵飛揚，特別是熱水輻射供暖系統(tǒng)能滿足噴涂車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)進行二次散熱，因此無論哪個位置都不會感到過熱^[8]。當(dāng)采用熱水作為供熱介質(zhì)時，對于噴涂車間，可避免燃氣輻射或電輻射等直燃型輻射設(shè)備引起的易燃、易爆危險。本文針對頂面熱水輻射供暖系統(tǒng)，采用STAR-CCM+軟件(CFD軟件的一種)建立船舶噴涂車間模型，對車間室內(nèi)空氣溫度場、工件表面溫度、車間內(nèi)氣流速度場進行模擬與相關(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)入模型的不匹配錯誤。車間的長×寬×高為80m×30m×12m，默認無門窗。噴涂工件內(nèi)部結(jié)構(gòu)已被簡化，以簡單長方體代替，長×寬×高為24m×12m×4m，置于車間中部。車間室內(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，分別布置在車間兩側(cè)80m長的墻上，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，機械通風(fēng)速度1m／s。

在模擬計算供暖熱負荷時，僅考慮3m高度以下的主要工作區(qū)域。噴涂車間冬季室外供暖計算溫度為-9.8℃，供暖室內(nèi)設(shè)計溫度為23℃，設(shè)計供暖熱負荷為442848W。選取14塊輻射板，每塊輻射板長36.5m，熱水進、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，與最長的外墻平行放置，靠墻第一排輻射板距墻0.5m³。為簡化計算，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，計算及預(yù)測結(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模型進行包面，使各個面封閉，解決表面拓撲錯誤。另外，在生成多面體網(wǎng)格前對模型進行表面重構(gòu)，從而減少網(wǎng)格數(shù)量以提高計算速度。計算模型的網(wǎng)格劃分見圖1。

2.2　邊界條件的設(shè)定

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

3　模擬結(jié)果分析

①室內(nèi)空氣溫度

由于噴涂車間的溫度與氣流組織分布主要體現(xiàn)在車間內(nèi)部的流體區(qū)域，因此在模擬計算前對模型進行抽取內(nèi)部流體空間處理。計算結(jié)果收斂時車間橫截面(中間位置)、縱截面(中間位置)的空氣溫度分布云圖分別見圖2、3。由圖2、3可知，車間室內(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。

由模擬結(jié)果可知，隨著計算的進行，車間室內(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)生了對流換熱，在這個過程中，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，模擬收斂時穩(wěn)定在25℃左右，滿足船舶噴涂工藝的需要。

②工件表面溫度

計算結(jié)果收斂時工件表面溫度分布云圖見圖4。由圖4可知，計算結(jié)果收斂時工件表面溫度在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。模擬開始時，以輻射板對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，達到一定溫度時，工件開始與周圍氣流發(fā)生對流換熱，溫度有所下降，直至計算結(jié)果收斂時，保持在24～25℃。

③氣流流速

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

4　結(jié)論

①由模擬結(jié)果可知，船舶噴涂車間采用頂面熱水輻射供暖系統(tǒng)時，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)流線分布相對稀疏，噴涂時對可燃氣體、可燃粉塵等擾動小，大大降低了發(fā)生爆炸的危險。

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本文作者：尚少文  郭冠維  劉兵紅  鄒崴

作者單位：沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院