1、VLCC 修船通风气流组织的研究摘要： 从理论上分析了气流组织对通风效果的影响，根据大型原油运输船（VLCC）修船通风的特点，提出了一种新式的气流组织模型及其相应的末端装置，并通过利用示踪气体法测定通风效率，对气流组织作出了定量评价。 关键词：修船通风 气流组织 通风效率 空气分布器 1 引言在大型原油运输船（VLCC 即 very large crude carrier）的检修过程中，由于切割和焊接等都会产生大量有害气体、烟尘和热量，不仅会严重影响人体健康，而且还有发生爆炸的危险，因此，船舱必须进行有效的通风。 VLCC 船舱体积大，构造复杂；有害物源分散，而且通风系统使用时间非常短，一般工
2、业通风的气流组织形式都不能满足要求。为此，笔者根据气流组织理论，提出了一种新型的气流组织形式，即全方位射流送风、自下而上全面通风和可能条件下的吹吸式排风。并研制出相应的送风系统末端装置。理论分析和模拟试验结果表明，气流组织合理，通风效率高，而且系统简单，是修船通风的理想气流组织形式。 2 通风气流组织的理论分析2.1 通风过程与气流组织的关系 在给定条件下，气流组织形式确定之后，通风空间的气流流场也就随之确定，那么通风过程也就确定。因此，所有流体元素自进入通风空间到离开，所经历的时间（即驻留时间）均值即为定数。但是，每一流体元素在室内的驻留时间用是随机变量，若以 表示，则 =0，驻留时间的分布
3、函数 F（）可以表示成： （1） 当采用示踪气体法来测量通风过程时，由于示踪气体（如 CO2）在通风气流中的浓度具有线性累加特性，因此，可以直接采用排风管内的浓度Ce()/Ce()来表示驻留时间的分布函数，即 F（）= Ce()/Ce() （2） 式在 Ce()和 Ce()分别为排风管内时刻 和时刻的浓度。 于是得到驻留时间均值的计算式： （3） 研究表明，在给定条件下，值大小完全由气流组织所确定，如果流场中的回流和涡流比较多，那么值比较大，通风过程就比较慢。反之，值比较小，通风过程就比较快。当流场中的回流和涡流趋近于零时，流场成为完全单向流，此时值最小，通风过程最快。所以，驻留时间均值是度量
4、通风过程的良好尺度。 2.2 通风效果与通风过程的关系 我们利用通风过程方程式来描述通风过程，假设通风空间体积 V，有害物质发生量，通风量 L 及通风时间 ，根据质量守恒，得到通风过程方程式： （4） 式中 M（）为室内时刻 的有害物累积量。当 =时，通风过程达到平衡状态，则可解出室内平均浓度： （5） 式中 V=V/L，称为通风过程额定时间常数。由于室内平均浓度是评价通风效果的主要指标，所以式（5）正好表明了通风效果与通风过程的相关关系。可以看出愈小，通风过程愈快，通风效果愈好。 2.3 通风效率 综合以上分析，不难看出，通风效果取决于通风过程，而通风过程又完全由气流组织所确定。因此，为了考
5、虑气流组织对通风效果的影响，引出通风效率的概念，并定义为： （6） 式中 min 为最小驻留时间均值。众所周知，当室内气流为完全单向流时，流场中无回流和涡流，所以驻流时间均值最小，而且沿流动方向的浓度呈线性增加，在排风管内达到最大值。因此， ，所以由式（5）得到 （7） 那么 （8） 这就是说，通风效率是表示某一气流组织与单向流的接近程度。 以上分析表明，对于以排除有害物质为主要目的的室内通风，为了提高通风效率，气流组织型式应尽量接近单向流，如采用局部单向流通风、矢流送风以及吹吸式通风等。但必须指出，这些通风效率比较高的气流组织型式，必须有性能良好的末端装置与之相配合。这给通风的研究提出了新课
6、题。 3 VLCC 修船通风的气流组织设计 3.1 修船通风的特点 3.1.1 修船工作最大特点是检修地点不固定，每个地点的检修程度也不相同，通风负荷随时间和地点而变化。 3.1.2 修船周期短，小修只有一周，大修也不超过一个月。因此要求通风系统简单，灵活，便于拆装。 3.1.3 大型原油运输船的船舱体积大，而且特别深（可达 30m） ，但除甲板上几个输油孔外，再无其他开口，给风管安装和系统布置带来困难。同时，船舱构造复杂，形形色色的肋板都会影响气流流动，因此，这对通风的气流组织形式及其有效性都提出了特殊要求。 3.2 气流组织形式构想 考虑到有害物源的分散性和多种有害物会产生爆炸性，因此采用
7、全面通风。气流组织形式如图 1 所示。 图 1 气流组织示意图1 送风管 2 排风管 3 船舱 4 空气分布器 首先将新鲜空气送到位于船舱底部的空气分布器，再由空气分布器以3 层射流，全方位分布到整个空间。其中，下层射流为主送风，中层射流为助送风，上层射流既是助送风，还可能与排风口一起构成吹吸式排风。这种气流组织形式具有如下优点： 全方位送风，有效地解决了有害物源分散和通风地点不固定问题。 自下而上全面通风，既符合船舱构造特点，又与热气上升规律一致，为排除舱内有害物质创造了有利条件。 空气分布器以 3 层射流的恰当组合，形成全方位的类似于矢流送风的气流组织，从而大大减少了流场中的回流和涡流，提
8、高了通风效率。 由图 1 可见，通风系统简单，因而适合于修船周期短的特点。 总之，上述气流组织形式，是 VLCC 修船通风比较理想的方案。要实现此方案，关键在于要有性能合适的空气分布器。 4 空气分布器的特性研究分布器的特性包括外特性和内特性。外特性是通过 3 层射流的恰当组合，使射流之间彼此干扰最小，从而使流场中的回流和涡流减到最少。内特性是通过流量分配，使每层射流流量符合设计值。本文提出的空气分布器结构见图 2，3。图 2 空气分布器构造图1 进口管 2 通道 3 喷嘴 图 3 分布器剖面图 4.1 分布器外特性的试验研究 试验结果表明，当每层喷嘴数目（a 是单个射流扩散角） ，并且 3
9、层射流轴线仰角自下而上分别为 0，25，50时，射流彼些干扰程度最小。4.2 分布器内特性的试验研究 由于分布器进口管内流速分布不均匀，所以必须先确定断面流速分布，才能进行流量分配和通道尺寸设计。 断面流速分布的试验结果 Re2104, (9) Re105, (10) 式中 v 和 vmax 分别为断面上任一点流速和最大流速。 （11） 根据流速分布进行流量分配 当 Re2104, （12） 当 Re105, （13） 式中 Lk 是通道 k 的流量。 5 气流组织模拟试验为了验证和定量评价上述气流组织的通风效果，在通风实验室内进行了模拟试验。 5.1 试验装置（见图 4）图 4 气流组织试验
10、装置简图1 送风机 2 流量计 3CO2 4 排风罩 5 空气分布器6 CO2 喷嘴 7 试验小室 8 CO2 监测器9 计算机 10 排风机 11 通风实验室外套 12 空调机组 图 5 试验风道布置 试验小室尺寸为 4m2.2m2.5m，内壁上装有肋片模拟船舱，风道布置如图 5a,b。 5.2 试验方法 采用示踪气体浓度衰减法，先开动送排风机，使通风量 L=88m3/h，再通过喷嘴向室内喷射 CO2 气体使=4L/min，在喷射量达到设计值后就停止喷射，并开始在排风管内测量 CO2 浓度 Ce()，然后按下式计算通风效率： 5.3 试验内容 无空气分布器，双管端头送风，3 个排风口排风，如
11、图 5a。 2 个空气分布器送风，3 个排风口排风，如图 5b。 通风效果比较实验结果见图 6。 图 6 CO2 浓度随时间变化曲线气流组织形式 图 5a 图 5b通风效率 E 0.45 0.65 试验结果表明，空气分布器送风比没有空气分布器送风的通风效率提高了 44%。 6 结论6.1 通风效果取决于通风过程，而通风过程又完全由气流组织来确定，因此设计通风方案的核心问题是确定气流组织形式。 6.2 利用通风效率来评价气流组织概念比较清楚，而且示踪气体法应用比较简便，因此在通风工程中具有实用意义。 6.3 本文提出的气流组织形式及其相应的送风末端装置，是朝着单向流方向提高通风效率的成功例证。
12、6.4 在给定条件下，改善气流组织的关键是开发新型的通风系统末端装置。 7 参考文献1 M Sandberg. The use of moments for assessing air quality in ventilated room. Building and Environment, Vol18, 1985. 2 N O Breum. Dilution versus displacement ventilation. National Institute of Occupational Health Denmark. 3 N O Breum and J Skotte. Displacement air flow in a printing plant measured with a rapid response tracer gas system. National Institute of Occupational Health Demark.
