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τ表示，则τ=0～∞，驻留时间的分布函数F（τ）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(τ)/Ce(∞)来表示驻留时间的分布函数，即
F（τ）= Ce(τ)/Ce(∞) （2）
式在Ce(τ)和Ce(∞)分别为排风管内时刻τ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τ，根据质量守恒，得到通风过程方程式：
（4）
式中M（τ）为室内时刻τ的有害物累积量。当τ=∞时，通风过程达到平衡状态，则可解出室内平均浓度：
（5）
式中τV=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。
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
Re≤2×104，
(9)
Re＞105，
(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Re≤2×104，
（12）
当Re＞105，
（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）
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试验小室尺寸为4m×2.2m×2.5m，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(τ)，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。
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。
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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.
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