浅谈CFD计算在货舱冷藏集装箱通风布置及建造中的应用

梁玉庚

【摘 要】本文主要阐述了在船舶建造初期，通过CFD计算，合理有效的布置货舱通风系统，并验证集装箱船货舱内部装载冷藏集装箱的通风系统性能。

【关键词】冷藏集装箱、货舱通风、CFD计算

引言：

随着航运业的发展，货舱内装载冷藏集装箱数量越来越多，其货舱通风量需求就会越大，如何合理有效的设计通风系统，控制造船和运营成本，满足船东需求，是本次研究的重点。

目前货舱机械通风设计大都按照船级社要求设计，即每个40英尺风冷式冷藏集装箱送风量为4500m³/h，通常采用螺旋风管送风，送风口对应冷箱压缩机，即单个冷箱采用定点送风。然而，通风管路的布置，风机选型，通风口形式等差别，都会对整个通风系统的冷却性能产生影响。

本次研究的目的是根据SEASPAN船东要求，对我厂建造的15000 TEU集装箱船装载风冷冷藏集装箱的货舱冷却性能进行详细的CFD计算，以验证通风布置的合理性。CFD数值计算（Computational Fluid Dynamics）其基本原理是数值求解流体流动的控制微分方程，得出流体流动的流场在连续区域上的离散分布，从而近似模拟流体流动情况。^【1】

1. 以本船6号货舱为例，运用通风软件AIRPAK进行数值计算：

1. 对每个货舱的集装箱之间的自由空间进行建模。对作为热源的冷藏集装箱进行建模。对气流进行模拟（计算温度分布）。

2）利用船舶货舱通风能力，评估货舱容积内的温度分布。

3）对运行情况进行了调查。负载率为1.0的冷藏箱操作（所有冷藏箱同时操作）。

4）得出结论供船东审查。

2. 船舶概况：

船型 ：15000 TEU集装箱船

船长 ：366.00米

两柱间长 ：355.40米

型宽 ：51.00米

型深 ：30.20米

装载集装箱总数：15240箱

甲板上 ：8848箱

货舱内 ：6392箱

通风系统布置（以6号货舱通风布置为例）：

图1：6号货舱风管、平台及甲板横剖面图

3. 货舱的CFD计算

   1. 方法

为了计算通风系统的冷却性能，本次研究将通过建模进行详细的CFD计算。首先，对于6号货舱进行3D建模，包括冷藏箱、其他集装箱、风道、出风口、送风口等（图2、3、4、5）并根据最大的RFEU冷藏箱装载量进行布置；接下来，通过软件生成一个精细的计算网格（图6）；最后，生成6号货舱内的温度分布。

我们使用K-ε数值模型对货舱内的空气分布进行模拟。该数值模型适用于模拟大空间的通风系统。

图2：正视图

图3：侧视图

图4：俯视图

图5：轴侧图

图6：效果图

2. 6号货舱的CFD计算（图7、8、9、10）假设了以下条件。

1. 进气口温度：35℃

2. 可接受的最高温度：45℃

3. 货舱壁的温度：35℃

4. 每个RFEU冷藏集装箱的热功率：11000W。假设热量由RFEU冷藏集装箱压缩机均匀地散发出来。

5. 管道的空气体积流速按设计取值：因船级社要求每个40尺冷藏集装箱的送风量为4500m3/h，即每个供风格栅4500m3/h。

3. 分析：6号货舱内的温度分布(冷藏箱装载系数：1.0)

FEU冷藏集装箱的数量 ：116

每个RFEU的热功率 ：11000W (冷藏箱装载系数: 1.0)

总的通风空气供应 ：522000m3/h

环境温度 ：35℃

假设所有冷藏集装箱同时工作（最坏的情况下）：

图7：Bay号1首视图

图8：Bay号2首视图

图9：侧视图

图10：俯视图

在上图7、8、9、10中，显示了6号货舱内的温度分布。同时显示出温度值超过45℃

的区域，特别是在散发热量的冷藏箱表面的区域。

4. 结论

通风系统对该船6号货舱内的冷藏集装箱的降温效率很高。除冷藏箱表面发热的区域外，6号货舱大部分区域的温度都在45℃以下，可以使所有冷藏箱在良好的条件下工作，不会引起货舱的高温报警。考虑到以上分析基于6号货舱的RFEU最大装载量，CFD结果证明通风系统适用于所有货舱。

参考文献：

【1】安毓辉，连之伟，施鼎岳. 装运冷藏集装箱的货舱内气流组织模拟与分析. 中国造船