摘　要：某船舶噴涂車間配置頂面熱水輻射供暖系統(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生的自燃、爆炸危險)與機械通風系統。采用STAR-CCM+軟件，對車間室內空氣溫度場、工件表面溫度、車間內氣流速度場進行了模擬。車間室內空氣溫度范圍為25～27℃，主要工作區氣流流速范圍為0.50～0.55m／s。

關鍵詞：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、熱工等技術于一體，在船舶建造中，起著舉足輕重的作用。良好的噴涂環境是保證噴涂質量的關鍵^[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出來的溶劑，既污染環境又容易引起自燃甚至爆炸^[3]。

目前，對于這種在生產過程中散發可燃氣體和可燃粉塵的車間，主要的供暖方式以全新風(熱風)系統為主。采用這種強制對流的方式，車間內氣流受擾動比較大，而且送風比較集中，易造成室內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感，不會引起粉塵飛揚，特別是熱水輻射供暖系統能滿足噴涂車間特殊的防火防爆及衛生要求^[7]。以發出紅外線的方式向空間放熱，墻壁和地板被加熱后，可向室內進行二次散熱，因此無論哪個位置都不會感到過熱^[8]。當采用熱水作為供熱介質時，對于噴涂車間，可避免燃氣輻射或電輻射等直燃型輻射設備引起的易燃、易爆危險。本文針對頂面熱水輻射供暖系統，采用STAR-CCM+軟件(CFD軟件的一種)建立船舶噴涂車間模型，對車間室內空氣溫度場、工件表面溫度、車間內氣流速度場進行模擬與相關分析。

2　模型建立

2.1　模型建立與網格劃分

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。噴涂工件內部結構已被簡化，以簡單長方體代替，長×寬×高為24m×12m×4m，置于車間中部。車間室內初始溫度設定為-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(未經處理的室外空氣)與頂面熱水輻射供暖相結合的方式，送排風口各8個，分別布置在車間兩側80m長的墻上，一側為送風口，另一側為排風口，距離地面3.5m，尺寸均為115cm×115cm。換氣次數為5次/h，機械通風速度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域。噴涂車間冬季室外供暖計算溫度為-9.8℃，供暖室內設計溫度為23℃，設計供暖熱負荷為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。

模型采用多面體網格劃分形式，與傳統網格相比，因有更多的相鄰單元，計算及預測結果更加準確。利用STAR-CCM+網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，在生成多面體網格前對模型進行表面重構，從而減少網格數量以提高計算速度。計算模型的網格劃分見圖1。

2.2　邊界條件的設定

采用S2S(Surface-to-Surface)輻射換熱模型，忽略車間內空氣對輻射板輻射能的吸收，模擬輻射板對車間內工件、地面、墻面的熱輻射過程，以及車間內主要的流固耦合過程。以基爾霍夫定律為基礎，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定見表1、2。

3　模擬結果分析

①室內空氣溫度

由于噴涂車間的溫度與氣流組織分布主要體現在車間內部的流體區域，因此在模擬計算前對模型進行抽取內部流體空間處理。計算結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。

由模擬結果可知，隨著計算的進行，車間室內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，而氣流區域以吸收熱量為主，因此室內空氣溫度呈上升趨勢，模擬收斂時穩定在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，受輻射角系數的影響產生了溫度梯度。由模擬結果可知，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生對流換熱，溫度有所下降，直至計算結果收斂時，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，車間室內主要工作區氣流流速為0.50～0.55m／s，相對于推薦值略高。

4　結論

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

②主要工作區氣流流速為0.50～0.55m／s．工作區流線分布相對稀疏，噴涂時對可燃氣體、可燃粉塵等擾動小，大大降低了發生爆炸的危險。

參考文獻：

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本文作者：尚少文  郭冠維  劉兵紅  鄒崴

作者單位：沈陽建筑大學市政與環境工程學院