亓海青，李志印，周立華

中國艦船研究設計中心，湖北武漢430064

0 引 言

居住艙室作為船員休息的主要場所，其內部空氣環(huán)境直接影響著船員居住的舒適性。艙室空氣環(huán)境主要指空氣熱舒適性和空氣品質，合理的氣流組織分布是提高艙室環(huán)境舒適性的根本保障［1］。目前，計算流體力學（CFD）技術已成為艙室內氣流組織研究的重要手段之一［2-4］，而將CFD技術應用于艙室氣流組織仿真計算也受到了研究人員的廣泛關注。Liu［5］使用Airpak軟件對船舶空調艙室的室內熱環(huán)境進行了仿真優(yōu)化。Chen等［6］分析了送風方向對艙室內空調環(huán)境的影響。郭寶坤等［7］采用CFD技術對冬季工況船用布風器的射流流場進行了研究。梁彥超［8］針對某船艙室內的高溫區(qū)域提出了通風系統(tǒng)的優(yōu)化措施。李培銘等［9］針對變風量空調系統(tǒng)的不同工況，對艙室氣流組織進行了數(shù)值分析，提出了符合變風量空調艙室舒適性氣流分布要求的送風方案。劉亞琴等［10］采用局部射流送風技術，利用CFD軟件對船舶機艙通風系統(tǒng)進行了數(shù)值優(yōu)化。張衛(wèi)東等［11］依據(jù)艙室內溫度場和速度場的分布，通過改變風量分配和風口形式等方法對艙室氣流組織進行了CFD數(shù)值優(yōu)化研究。曹紅波等［12］采用CFX軟件對某典型艦船動力艙室大氣環(huán)境進行仿真研究，通過與實船測試數(shù)據(jù)的對比表明，CFX軟件可以實現(xiàn)艦船艙室大氣環(huán)境的計算機輔助設計并對其流場分布進行優(yōu)化。李以通［13］建立了船舶居住艙室氣流分布的綜合評價體系，對采用4種布風器送風情況下艙室內的氣流分布進行綜合評價，給出了船舶居住艙室布風器選型的初步建議。上述研究工作為船舶居住艙室氣流分布的優(yōu)化設計以及提高艙室居住性提供了理論基礎和技術參考。

鑒于上述研究均側重于艙室內的空氣熱舒適性。本文擬針對艙室相對封閉、空間狹小、人員眾多、空氣污染物濃度情況，綜合考慮氣流組織熱舒適性及空氣污染物濃度等因素，采用CFD方法研究送風角度、送風溫度和送風量等參數(shù)對居住艙室空氣環(huán)境舒適性的影響，以得到較滿意的送風方案，為解決實際工程問題提供理論依據(jù)。

1 計算模型

本文提出了一種四人間居住艙室的三維簡化模型，如圖1所示。艙室尺寸為2.115 m×1.911 m×2.02 m（長×寬×高）。送、回風方式為上送下回，即送風裝置采用方形散流器，有效通風面積0.024 m2，模型中尺寸簡化為0.155 m×0.155 m，風口距地面1.8 m，回風口尺寸為0.2 m×0.2 m。船員簡化為長方體模型，尺寸為0.2 m×0.3 m×1.6 m，口鼻等人體呼吸口用0.02 m×0.04 m的長方形代替。

2 數(shù)值計算方法

2.1 控制方程

為便于求解，本文對居住艙室內的空氣流動進行如下相關合理假設：

1）居住艙室內氣體為不可壓縮，且符合Boussinesq假設，認為流體密度僅對浮升力產生影響；

2）氣流為低速、不可壓縮流；

3）流體與熱源間的換熱為對流換熱，不考慮輻射熱；

4）流動為穩(wěn)態(tài)湍流；

5）艙室除送風和回風口外，密閉性良好。

根據(jù)以上假設，本文中的湍流模型采用工程流場計算中常用的標準k-ε模型，其控制方程如下［14］：

式中：k為湍流動能；η為分子粘性；ε為湍流耗散率；u為某方向速度；ρ為密度；t為時間；c1，c2，cμ為常量，一般分別取為 1.44，1.92和 0.09；σk，σε分別為k方程和ε方程的湍流普朗特數(shù)（Prandtl number），分別取為1.0和1.3。

2.2 網格劃分

本文用于研究的居住艙室采用六面體非結構混合網格，根據(jù)空調領域相關CFD數(shù)值模擬軟件對模型進行網格劃分。對送風口和回風口等溫度及速度梯度變化大的區(qū)域進行局部網格加密。選取第2.3節(jié)方案中典型截面的計算結果進行網格無關性驗證，結果如表1所示。由表以可看出，網格數(shù)為150×104與網格數(shù)為200×104時的計算結果相近。為提高計算效率，取網格數(shù)為150×104。具體網格劃分如圖2所示。

表1 網格無關性驗證結果Table 1 Reliability verification of grid independence

2.3 邊界條件

夏季工況下居住艙室總的熱負荷不變，設計溫度為27℃。當送風溫度分別取為16℃和18℃時，根據(jù)艙室內負荷平衡進行概算，得到所需送風量相應為216和267 m3/h。居住艙室模型的邊界條件設置如表2所示。

表3給出了通過改變送風角度、送風溫度和送風量形成的4種不同送風方案。根據(jù)不同送風方案對艙室內的氣流組織進行數(shù)值計算。

2.4 評價指標

居住艙室內環(huán)境舒適性的評價指標包括2個方面：熱舒適性及空氣品質。熱舒適性主要包括室內氣流組織的溫度、風速、相對濕度和PMV指標等。其中，PMV指標考慮了人體活動程度、衣服熱阻（衣著情況）、空氣溫度、平均輻射溫度、空氣流速和空氣濕度等6個因素。綜合評價環(huán)境熱舒適性的PMV指標如表4所示［15］。

表2 邊界條件設置Table 2 Boundary condition setting

表3 不同送風方案變量參數(shù)Table 3 Variable parameter of different air supply schemes

表4 PMV指標Table 4 PMV indices

艙室空氣中的CO2濃度是評價艙室空氣品質的一項重要指標。為降低能耗，盡量減少新風量是導致艙室內空氣品質差的主要原因之一。

為滿足夏季工況下居住艙室內環(huán)境舒適度的要求，表5給出了氣流組織的評價指標。GB/T 17094-1997標準規(guī)定了室內空氣中CO2濃度小于0.10%，本文在此基礎上進一步將該指標取為小于或等于0.08%。

表5 設計參數(shù)Table 5 Design parameters

3 數(shù)值模型驗證

采用ANSYS 14.0軟件對4種送風方案進行模擬計算后，分別選取距地面0.2，0.7，1.2和1.7 m處的截面中心點，即對應于人體的小腿部位、人體在下鋪躺下的位置、人體站立時的胸部以及上鋪高度附近、人體站立時的頭部位置，如圖3所示。

為驗證數(shù)值模型的準確性，根據(jù)表2所述邊界類型構建模擬艙室，其中人員負荷及滲透熱負荷利用電熱器模擬，將模擬艙室方案1試驗測試結果與數(shù)值模擬結果進行對比，試驗測點與數(shù)值計算讀取點相同，均為各截面中心點。選取溫度為典型參數(shù)進行對比，對比結果如表6所示，誤差在7%以內，滿足數(shù)值計算要求。測試值稍高于模擬值，主要是由模擬艙室墻壁及門縫漏熱引起。

表6 溫度對比Table 6 Temperature comparisons

4 結果分析

由圖3所示截面，統(tǒng)計各截面的送風風速、送風溫度、相對濕度、PMV和CO2濃度等參數(shù)的平均值，根據(jù)各參數(shù)的評價指標，對比分析各方案的計算結果。

圖4所示為不同送風方案下各截面的風速對比結果。由圖可知，4種送風方案均滿足要求，其中前3種方案風速分布比較接近，且距地面高度分別為0.2，0.7和1.2 m的截面風速相同。這表明，當送風量相同時，改變送風溫度和角度對風速分布影響較小；減少送風量后，方案4各截面的平均風速較小。

圖5所示為不同送風方案下各截面溫度對比結果。由圖可知，方案3的平均溫度低于設計溫度，方案1，2，4的平均溫度與設計溫度較為接近。這表明，當送風量相同時，改變送風角度對溫度分布影響較小，降低送風溫度并減小送風量可滿足溫度要求。

圖6所示為不同送風方案下各截面相對濕度對比。由圖可知，方案4的相對濕度低于設計要求，方案1，2，3的相對濕度分布差異較小，略高于設計要求。這表明，當送風量相同時，改變送風溫度和角度對居住艙室相對濕度分布影響不大，降低送風溫度和送風量會導致艙室內相對濕度減小。

圖7所示為綜合分析艙室室內空氣環(huán)境熱舒適性得到的各送風方案的PMV值對比結果。由圖可知，除方案3外，其他3種送風方案均滿足設計要求；方案3的平均PMV值小于-1，空氣環(huán)境微涼；方案4的平均PMV值更接近于0，空氣環(huán)境最適中。方案4各截面的PMV值云圖如圖8所示。從云圖分布可以看出，大部分區(qū)域的PMV值在-0.75～0.75范圍內，分布比較均勻，熱舒適性適中；風口附近的PMV值較低，這是由于風口附近區(qū)域風速較大，影響了熱舒適性。綜合來看，方案4的熱舒適性最好，因此適當降低溫度和送風量可以提高室內空氣環(huán)境熱舒適性。

分析不同送風方案對艙室室內空氣品質的影響。圖9給出了CO2濃度的對比結果。由圖可知，方案4的CO2濃度最高，其他方案的CO2濃度相差不大，4種送風方案均滿足設計要求。送風角度、溫度等對CO2濃度影響較小，而降低送風量會導致CO2濃度升高，因此，送風量過小將使得艙室內CO2濃度超標。

綜合4種送風方案熱舒適性和空氣品質的對比分析結果，發(fā)現(xiàn)采用方案4時氣流組織熱舒適性最好，CO2濃度雖然增加了但滿足設計要求，因此艙室內的空氣環(huán)境舒適性更好。

5 結 語

本文采用CFD方法對夏季工況下四人居住艙室的空氣環(huán)境舒適性進行了數(shù)值計算。通過改變送風角度、送風溫度和送風量生成了4種送風方案。根據(jù)空氣熱舒適性及空氣質量評價指標，對比分析了4種不同方案的數(shù)值計算結果。研究結果表明：采用散流器送風，當送、回風方式為上送、下回且送風角度分別為30°和45°時，對模擬結果的影響不大，可以根據(jù)需要適當調整送風角度；適當減小送風溫度和送風量可降低體表吹風感，提高氣流組織熱舒適性。

需注意的是，送風溫度過低易導致結露，使艙室內空氣相對濕度減小，從而降低氣流組織熱舒適性，而減小送風量則會降低空氣流通性，使艙室內CO2濃度升高。