艦船典型艙室熱舒適特性數(shù)值模擬分析
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敖慶章1徐新華2*陳乾3肖磊2
1駐七O-所軍事代表室2華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程系3華中科技大學(xué)制冷及低溫工程系
摘 要：對(duì)采用布風(fēng)器進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)的某艦船艙室進(jìn)行數(shù)值模擬，分別獲得夏季設(shè)計(jì)工況和冬季設(shè)計(jì)工況的艙室典型截面速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和PMV場(chǎng)。模擬結(jié)果表明采用布風(fēng)器方式，艙內(nèi)人員活動(dòng)區(qū)域內(nèi)氣流速度、溫度及PMV值均滿足舒適性標(biāo)準(zhǔn)要求，說明了該典型艙室采用布風(fēng)器進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)的可行性與合理性。
關(guān)鍵詞：艦船艙室；布風(fēng)器；數(shù)值模擬；氣流組織
0 引言
近年來，由于國(guó)際海上領(lǐng)土爭(zhēng)端不斷升溫，我國(guó) 正大力推進(jìn)現(xiàn)代化軍用艦船制造事業(yè)的發(fā)展。現(xiàn)代艦船是一個(gè)典型的、龐大的、復(fù)雜的人．機(jī)一環(huán)系統(tǒng)，艦船為人員所操縱、所利用，而船員又以艦船為其工作和生活空間。隨著艦船人機(jī)環(huán)技術(shù)的發(fā)展，要求居住艙室的背景噪聲、居住環(huán)境條件進(jìn)一步改善，提高居住艙室的熱舒適性，來保證艦船上人員良好的身體狀況和精神狀態(tài)。由于船員絕大部分工作和生活時(shí)間都待在艦船艙室里，室內(nèi)空氣環(huán)境包括室內(nèi)熱濕環(huán)境和室內(nèi)空氣品質(zhì)(IAQ)，而合理的通風(fēng)組織是良好室內(nèi)熱濕環(huán)境和空氣品質(zhì)的根本保障。因此，針對(duì)船舶艙室特點(diǎn)，改進(jìn)船舶空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行策略，提高船舶艙室空氣品質(zhì)，對(duì)船舶空調(diào)設(shè)計(jì)有著重要的實(shí)際意義。
目前，CFD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于民用建筑室內(nèi)氣流組織模擬也漸漸用于艙室室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化研究。程?hào)|梅通過數(shù)值模擬軟件比較了船舶艙室內(nèi)不同尺寸及位置的回風(fēng)口和送風(fēng)口對(duì)房間氣流組織的影響，以期望得到更好的送風(fēng)形式。劉鳳榮采用CFD軟件對(duì)船舶整個(gè)機(jī)艙熱環(huán)境進(jìn)行了模擬研究，通過模擬結(jié)果給出了合理的機(jī)艙熱舒適性優(yōu)化方案。Liu用Airpak軟件模擬船舶艙室在不同送回風(fēng)形式下的艙內(nèi)環(huán)境，得出下送風(fēng)的空調(diào)送風(fēng)形式有較好的效果，
但在該文獻(xiàn)中并未明確送回風(fēng)口的型式。周俊男對(duì)士兵居住艙室進(jìn)行了三種不同氣流組織形式的數(shù)值模擬，并得出適合該艙室的氣流組織形式，但是在該研究中采用的送風(fēng)口為散流器方式，而在實(shí)際的艙室中一般常用布風(fēng)器方式。李以通通過人工環(huán)境實(shí)驗(yàn)室與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對(duì)比，整理歸納了4種不同布風(fēng)器形式對(duì)艙室布風(fēng)的影響，對(duì)節(jié)能、舒適性等綜合因素進(jìn)行了考慮，給出了較為合理的艙室送風(fēng)形式。
本文利用Airpak軟件對(duì)采用布風(fēng)器的艦船典型艙室氣流組織進(jìn)行仿真模擬，并對(duì)該艙室的速度場(chǎng)分布、溫度場(chǎng)分布及PMV值進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，采用布風(fēng)器方式典型艙室大部分區(qū)域速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)及PMV場(chǎng)分布較為均勻，滿足船舶艙室舒適性要求。
1 艦船艙室?guī)缀蚊枋?
艦船艙室平面圖如圖1所示，室尺寸為：長(zhǎng)4.8 m，寬4.8 m，高2.5 m。艙室設(shè)置兩個(gè)布風(fēng)器送風(fēng)，每個(gè)布風(fēng)器送風(fēng)量為250 m3/h，總送風(fēng)量為500 m3/h。艙室門上設(shè)有1個(gè)矩形出風(fēng)口，尺寸為500 m m x400 mm，下邊緣距下甲板高度為0.15 m。布風(fēng)器如圖2所示，上端為靜壓箱，靜壓箱尺寸為0.45 mx0.45 m x0.16 m，靜壓箱下方為圓形風(fēng)管，風(fēng)管尺寸為直徑0.16 m，高0.06 m，出風(fēng)口處設(shè)置兩塊擋板，上層擋板為方形，尺寸為0.26 mx0.26 m，下層擋板為圓形，直徑為0.24 m，上下?lián)醢逯g豎向距離為0.02 m。送風(fēng)經(jīng)過靜壓箱，再經(jīng)垂直風(fēng)口，吹到水平擋板后形成水平圓周出流。布風(fēng)器送風(fēng)口距離地板（即艙室底部）高度為1.92 m。
2 建模及邊界條件
采用Airpak軟件建立典型艙室的流體域數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ�，Airpak采用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。首先建立基本模型，并進(jìn)行網(wǎng)格粗劃分，然后進(jìn)行局部加密。主要加密處有三處：
1)加密布風(fēng)器兩擋板間薄層區(qū)域。由于AirPAK的網(wǎng)格加密是針對(duì)模型的部件進(jìn)行加密，而兩擋板中間區(qū)域無部件，故在此區(qū)域內(nèi)預(yù)先加入block塊，并將其設(shè)定為fluid類型，然后對(duì)該block塊進(jìn)行加密，此加密主要是針對(duì)垂直方向上，保證兩擋板間有至少5層以上的網(wǎng)格。
2)靜壓箱附近區(qū)域加密。此加密較為簡(jiǎn)單，只需將箱體三個(gè)方向上的網(wǎng)格數(shù)同時(shí)加密即可。
3)進(jìn)風(fēng)口加密。對(duì)圓形進(jìn)風(fēng)口進(jìn)行加密。為使空氣出流平均，需要保證直徑范圍內(nèi)網(wǎng)格層數(shù)在10層以上。
艙室空間的空氣流動(dòng)是自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流共同作用形成的混合湍流流動(dòng)，屬于湍流流動(dòng)。由于實(shí)際艙室內(nèi)的設(shè)備布置、空氣流動(dòng)和傳熱非常復(fù)雜，因此需要對(duì)艙室內(nèi)的空氣流動(dòng)及模型做相關(guān)合理假設(shè)以便進(jìn)行求解。艙室內(nèi)流體屬于牛頓流體，為低速流動(dòng)，流場(chǎng)具有高湍流雷諾數(shù)。艙內(nèi)設(shè)備工況穩(wěn)定，向周圍空氣放出的熱量通過定義的邊界均勻或局部的進(jìn)入流體區(qū)域，將流體與固體接觸面上的換熱轉(zhuǎn)化為純流體的加熱或?qū)α鲹Q熱，不考慮輻射傳熱。
艙室模擬分冬季與夏季工況。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及送風(fēng)參數(shù)等如表1所示。室內(nèi)熱擾包括人員和照明，將室內(nèi)熱擾折合成單位面積熱流指標(biāo)添加到地板上，取典型艙室人員為兩人，人員負(fù)荷即單人全熱負(fù)荷為130 W，艙室內(nèi)照明面積指標(biāo)為11 W/m2，室內(nèi)總熱擾513 W，地板單位熱流指標(biāo)為22.3 W/m2。其余側(cè)壁與相鄰空調(diào)區(qū)域沒有熱量交換，設(shè)置為絕熱壁面。單個(gè)布風(fēng)器送風(fēng)量250 m3/h。暴露甲板傳熱系數(shù)K為1.39 W/(m2．K)，暴露側(cè)壁傳熱系數(shù)K為1.57 W/(m2．K)。模擬計(jì)算模型選擇室內(nèi)零方程模型，考慮重力影響。模擬收斂條件設(shè)置為能量殘差10-6，各向速度及K-ε殘差為。
3 模擬結(jié)果分析
采用Airpak軟件分夏季和冬季兩個(gè)設(shè)計(jì)工況對(duì)該模型進(jìn)行數(shù)值模擬，并對(duì)典型截面的速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析。考慮的典型界面為：截面1為通過典型艙室內(nèi)兩個(gè)人體模型中心的垂直截面；截面2為0.6 m高處平面截面（坐姿時(shí)膝蓋高度約為0.6 m）；截面3為1.4 m高處平面截面(坐姿時(shí)頭部高度約為1.4 m)。
3.1夏季設(shè)計(jì)工況
夏季工況下，由截面1的速度分布云圖（圖3）可以看出，人體模擬附近風(fēng)速均勻且較小。從截面1的溫度分布云圖（圖4）可以看出，除天花板及人體表面附近溫度較高外，其余大部分區(qū)域溫度均勻，大約為24℃。從截面1、截面2及截面3的PMV云圖(圖5～7)可以看出，天花板附近及人體表面附近PMV值較高，其余大部分區(qū)域PMV值均在-0.5到0.5之間，較為均勻。
通過數(shù)值模擬得出，截面2溫度最大值為29.6℃，但分布區(qū)域較小，主要在暴露側(cè)壁以及人體模型附近，溫度最小值為22.8℃，在截面上分布區(qū)域較廣，平均溫度為23.7℃。由于截面2經(jīng)過出風(fēng)口，故其速度最大值較大，最大風(fēng)速為0.87 m/s。截面3溫度最大值為30.3℃，最小值為22.8℃，平均溫度為23.8℃，速度最大值為0.28 m/s(由于篇幅，此部分截面速度及溫度云圖未給出)。
通過不同典型截面艙室速度場(chǎng)分布云圖，溫度場(chǎng)分布云圖及PMV云圖可以看出，夏季設(shè)計(jì)工況下，艙室大部分區(qū)域速度場(chǎng)分布較為均勻，速度較低，滿足我國(guó)舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)夏季室內(nèi)風(fēng)速不大于0.3 m/s的要求；艙室大部分區(qū)域溫度場(chǎng)分布較為均勻，溫度約為24℃，滿足我國(guó)舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍22～28℃;艙室大部分區(qū)域PMV值在-0.5到0.5之間，滿足人體舒適性需求。
3.2冬季設(shè)計(jì)工況
冬季工況下，截面1艙室速度場(chǎng)分布（圖8）與夏季工況的艙室速度場(chǎng)分布相似。從截面1的溫度分布云圖（圖9）可以看出，天花板附近溫度較低，人體表面附近溫度較高，此外其余大部分區(qū)域溫度均勻，大約為23℃到24℃。從截面1、截面2及截面3的PMV云圖（圖10～12）可以看出，天花板附近PMV值較低，人體表面PMV值較高，其余大部分區(qū)域PMV值均在-0.5到0.5之間，較為均勻。
通過數(shù)值模擬得出，截面2溫度最大值為29.0℃，分布區(qū)域主要在人體模型附近，溫度最小值為19.7℃，分布區(qū)域主要暴露側(cè)壁附近，平均溫度為23.4℃，由于截面2經(jīng)過速度出風(fēng)口，故其速度最大值較大，為0.83 m/s。截面3溫度最大值為29.9℃，最小值為19.9℃，平均溫度為23.6℃，且溫度分布與截面1類似，速度最大值為0.31 m/s(由于篇幅，此部分截面速度及溫度云圖未給出)。
通過不同典型截面艙室溫度場(chǎng)分布云圖可以看出，冬季設(shè)計(jì)工況下，艙室大部分區(qū)域溫度場(chǎng)分布非常均勻，溫度約為23.5℃，滿足我國(guó)舒適性空調(diào)調(diào)節(jié)冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍18～24℃;艙室大部分區(qū)域PMV值在-0.5到0.5之間，滿足人體舒適性需求。布風(fēng)器周圍溫度較高，在24℃～26℃之間。艙室下部暴露側(cè)壁附近空氣溫度低于18℃。
4 總結(jié)
本文建立了采用布風(fēng)器進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)的典型艦船艙室的流體域數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ�，并進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。分別對(duì)艙室夏季設(shè)計(jì)工況和冬季設(shè)計(jì)工況的典型截面速度場(chǎng)，溫度場(chǎng)及PMV場(chǎng)進(jìn)行分析，同時(shí)比較了典型截面不同舒適性參數(shù)。結(jié)果表明夏季和冬季工況下，除送風(fēng)口和出風(fēng)口附近速度較大，艙內(nèi)其他區(qū)域即人員工作區(qū)域速度場(chǎng)分布都較為均勻，速度均小于
0.3 m/s，滿足我國(guó)舒適性空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)給出的速度要求。無論是夏季設(shè)計(jì)工況還是冬季設(shè)計(jì)工況下，除暴露壁面附近溫度差異較大之外，艙室大部分區(qū)域溫度場(chǎng)分布都較為均勻，夏季工況平均溫度約為24℃，冬季工況平均溫度約為23.5℃，均滿足舒適性空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。同樣
的，夏季工況和冬季工況下PMV值也基本均在-0.5～0.5，滿足舒適性空調(diào)標(biāo)準(zhǔn)。本文通過數(shù)值模擬對(duì)艙室兩種工況進(jìn)行了模擬研究和分析表明該典型艙室空調(diào)系統(tǒng)布置的合理性。
