曾 靜

(重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院 重慶 400074)

不同空調(diào)送風(fēng)形式下船舶艙室舒適性數(shù)值模擬

曾 靜

(重慶交通大學(xué)航運(yùn)與船舶工程學(xué)院 重慶 400074)

船舶艙室乘員的身體狀況和工作效率直接決定著船舶駕駛的安全，所以需要在艙室內(nèi)建立合適溫濕度環(huán)境來(lái)保證乘員的舒適度，而室內(nèi)空氣流動(dòng)對(duì)于熱舒適影響非常大，本文將對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)單的艙室模型進(jìn)行不同送風(fēng)形式的CFD模擬，以說(shuō)明不同空調(diào)送風(fēng)對(duì)于艙室內(nèi)熱舒適的影響，這將有助于船舶空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

船舶空調(diào);送風(fēng)形式;舒適度;CFD

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，使得我國(guó)船舶建造技術(shù)飛速發(fā)展，隨之而來(lái)的是人們對(duì)于船舶居住環(huán)境的要求也越來(lái)越高。對(duì)于陸地上的建筑，環(huán)境熱舒適性的評(píng)價(jià)使用的是PMV(Predicted Mean Vote 預(yù)測(cè)平均滿意度)，而室內(nèi)的空氣溫度和風(fēng)速對(duì)于PMV的大小起著至關(guān)重要的作用，目前研究室內(nèi)空氣流動(dòng)對(duì)于環(huán)境的影響基本上都集中在地面建筑，如徐麗[1]等運(yùn)用CFD模擬方法，對(duì)比了上進(jìn)上出、側(cè)進(jìn)側(cè)出和置換通風(fēng)三種送風(fēng)方式下室內(nèi)熱環(huán)境狀況，雒婉等[2]通過(guò)四種不同的送風(fēng)方式比較室內(nèi)的熱濕環(huán)境。而對(duì)于船舶艙室內(nèi)的空調(diào)氣流組織的研究卻少之又少。

本文將嘗試通過(guò)CFD軟件對(duì)船舶艙室在不同送風(fēng)形式下的熱濕環(huán)境進(jìn)行模擬，以說(shuō)明艙室內(nèi)不同的氣流組織形式對(duì)于室內(nèi)舒適度的影響。

一、艙室模型建立

由于船舶是運(yùn)動(dòng)的，所以對(duì)于艙室和建筑房間模型的不同在于外圍護(hù)結(jié)構(gòu)外表面對(duì)流換熱系數(shù)的不同，所以對(duì)于艙室外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)需要按照船舶的運(yùn)動(dòng)速度重新進(jìn)行計(jì)算。

(一)艙室物理模型

本文選取上海海事大學(xué)教學(xué)實(shí)習(xí)船育峰輪的學(xué)生居住艙室為模型(見(jiàn)圖1)。艙室在六層甲板，高為2.1m,長(zhǎng)為3.6m，寬為3.3m。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度為25℃，濕度為50%；艙壁A為外舷，在壁面上有一半徑為0.25m的圓型雙層真空玻璃；艙壁B,C,D和樓板E、F為內(nèi)壁，在C壁上有一尺寸為1.9m的彩鋼板液壓門，外側(cè)溫度為27℃；樓板F外側(cè)為機(jī)艙，外側(cè)溫度為45℃；艙室內(nèi)有一位船員，船速恒為12m/s。艙外溫度為35℃。

圖1 艙室模型

(二)艙室熱工計(jì)算

為了便于說(shuō)明壁面的傳熱系數(shù)K計(jì)算過(guò)程，下面以圖2為例進(jìn)行計(jì)算；假設(shè)壁面為n層，每層導(dǎo)熱系數(shù)為λi,外側(cè)換熱系數(shù)為hw,內(nèi)側(cè)換熱系數(shù)為hn。

1)通過(guò)下式計(jì)算壁面導(dǎo)熱熱阻Rr。

(1)

2)壁面與外界之間的對(duì)流換熱屬于外略平板，通過(guò)下式計(jì)算壁面內(nèi)外側(cè)對(duì)流換熱和熱阻Rnh, Rwh。

h=0.664λRe0.5Pr0.33/l

(2)

Rh=1/h

(3)

其中:Re為雷諾數(shù)，Pr為普朗特?cái)?shù),l為壁面特征尺寸。

3)通過(guò)下式計(jì)算壁面?zhèn)鳠嵯禂?shù)K，壁面材料和計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

(4)

表1 壁面參數(shù)

圖2 艙壁結(jié)構(gòu)示意圖

二、艙室環(huán)境數(shù)值模擬

通過(guò)Airpak軟件對(duì)上文建立的模型分別進(jìn)行側(cè)送側(cè)回、散流器平送側(cè)回兩種氣流組織的CFD數(shù)值模擬。

(一)邊界條件設(shè)置

1)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I選取日照射最強(qiáng)時(shí)的最不利情況，為210W/m2；

2)壁面設(shè)置為對(duì)流換熱邊界條件，A壁面綜合溫度可以通過(guò)下式計(jì)算：

Tz=Tw+aI/hW

(5)

其中:Tw為室外溫度，α為壁面吸收系數(shù)為0.65-0.72；

hw為外表面對(duì)流換熱系數(shù)。

3)窗戶設(shè)為熱流邊界條件，為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度；

4)室內(nèi)人員為靜座，產(chǎn)熱量為108W。

5) 設(shè)備和燈光產(chǎn)熱量為35 W/m2；

6)兩種形式的窗口有效面積都為0.08m2,送風(fēng)速度為1m/s，送風(fēng)溫度為16℃，濕度為50%。

(二)模擬結(jié)果分析

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 上排為側(cè)送，下排為散流器平送(從左到右 1m高溫度云圖，1m高相對(duì)濕度)

從結(jié)果可以看出兩種送風(fēng)方式都能滿足艙內(nèi)溫濕度要求，不同的是溫濕度分布稍有區(qū)別，側(cè)送方式溫度分布比較均勻，只在送風(fēng)口附近溫度比較低，平均溫度在25.4℃左右；相對(duì)濕度分布均勻，在43%-50%內(nèi)。散流器平送，溫度分布分為兩塊，在回風(fēng)口附近會(huì)出現(xiàn)24℃左右的低溫，其余位置溫度在26.2℃左右，平均溫度將會(huì)比側(cè)送風(fēng)要高1℃左右；相對(duì)濕度與溫度分布類似，主要分布在40%-47%，比側(cè)送低，這也與相對(duì)濕度與溫度變化成反比相符。

三、結(jié)論

不同的送風(fēng)形式會(huì)對(duì)艙室內(nèi)溫濕度環(huán)境產(chǎn)生影響從而影響室內(nèi)舒適度，所以針對(duì)不同的室內(nèi)布局選擇合適的氣流組織形式可以獲得良好的室內(nèi)熱濕環(huán)境。

[1]徐麗，翁培奮.三種通風(fēng)方式下的室內(nèi)氣流組織和室內(nèi)空氣品質(zhì)的數(shù)值分析[J].空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2003,(03):311-319.

[2]雒婉,曲云霞.四種送風(fēng)方式下室內(nèi)熱環(huán)境的數(shù)值模擬分析[J].山東建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2012,27(05):505-508.

[3]柴婷,毛佳煒,陸懿東.基于CFD模擬的船舶空調(diào)艙室熱舒適性研究[J].船舶與海洋工程,2015,31(02):37-42.

[4]趙忠超,成華,秦伯進(jìn),船舶空調(diào)負(fù)荷動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)算法比較與分析[J].船舶工程,2015,37(04):37-41.

曾靜(1991.04-)，男，漢，四川，碩士，重慶交通大學(xué)，船舶裝備監(jiān)控與節(jié)能減排技術(shù)。