潘欣鈺

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引 言

艦船的空間相對(duì)封閉，其艙室的熱舒適性很大程度上依靠空調(diào)系統(tǒng)。隨著對(duì)功效學(xué)以及相關(guān)人因工程的研究越來(lái)越深入，艦船艙室內(nèi)的空調(diào)效果重要性正受到更多重視。權(quán)崇仁等[1]對(duì)艦船典型艙室的布風(fēng)器氣流組織進(jìn)行了數(shù)值模擬。郭寶坤等[2]采用了試驗(yàn)與模擬的方法對(duì)船用布風(fēng)器在冬季的射流流場(chǎng)進(jìn)行了研究。劉亮等[3]針對(duì)船舶會(huì)議室利用數(shù)值仿真軟件模擬了不同布風(fēng)器對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響。

艦船住艙一般無(wú)吊頂，相對(duì)于民用船舶，其空調(diào)氣流服務(wù)工況更為不利，特別是冬季熱空氣上浮，容易滯留在住艙的上部，造成上鋪空間溫度較高，而下部空間溫度較低，整個(gè)住艙在高度上存在較大的垂直溫差。本文采用計(jì)算流體力學(xué)模擬軟件，對(duì)比分析不同布風(fēng)器對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響。

1 艦船典型住艙概述

艦船普通住艙基本采用布風(fēng)器進(jìn)行空調(diào)送風(fēng)，由于艙室面積以及相關(guān)空間凈高的限制，每個(gè)住艙一般只能在室內(nèi)空間的中部布置一個(gè)布風(fēng)裝置。因此，該布風(fēng)器是否能夠具備較為均勻的送風(fēng)性能將會(huì)對(duì)艙室內(nèi)的風(fēng)速、溫度等空氣環(huán)境參數(shù)有著決定性的影響。本文首先針對(duì)對(duì)一般圓盤型布風(fēng)器進(jìn)行模擬，并在此基礎(chǔ)上提出開(kāi)有斜45°孔槽的布風(fēng)器形式，進(jìn)一步提升布風(fēng)器均勻送風(fēng)的性能，避免艙室中出現(xiàn)冷熱不均，風(fēng)速過(guò)高或者出現(xiàn)漩渦死區(qū)等不利于使用人員身心健康的空氣環(huán)境。布風(fēng)器如圖1所示。

2 住艙模擬數(shù)學(xué)模型

模擬采用計(jì)算流體力學(xué)模擬軟件，通過(guò)有限體積法數(shù)值求解計(jì)算域內(nèi)的各類物理參數(shù)。本文涉及的計(jì)算參數(shù)主要包括風(fēng)速，溫度，壓力等。因此涉及到三類控制方程，分別是連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程。其中，質(zhì)量守恒方程如下式：

圖1 圓盤型布風(fēng)器Fig. 1 Disc-shaped wind distributor

式中：ρ為流體密度；ui為x，y，z方向流體速度分量；xi指直角坐標(biāo)系中的x，y，z三個(gè)方向；t為時(shí)間。

動(dòng)量守恒方程如下式：

式中：p為流體壓力；μ為流體動(dòng)力粘性系數(shù)；Su為外部源項(xiàng)。

能量守恒方程如下式：

式中：T為流體溫度；k為傳熱系數(shù)；Cp為流體比熱容；ST為外部熱源。

3 數(shù)值模擬邊界條件

由于艦船上的艙室基本都沒(méi)有外窗，屬于內(nèi)部空間，因此普通住艙的得熱邊界條件主要是艙室內(nèi)部的燈光得熱、人員得熱。典型的艦船普通艙室長(zhǎng)度為3.05 m，寬度為3.2 m，高度為2.5 m，其布置如圖2所示。

該住艙內(nèi)共居住4人，夏季按照每人108 W全熱發(fā)熱量，人員散熱共432 W，照明負(fù)荷按照10 W/m2，共計(jì)97.6 W，該艙室體積為24.4 m3，因此夏季艙室內(nèi)的體熱源等效強(qiáng)度為21.7 W/m3。冬季的體熱源強(qiáng)度按照21.7 W/m3估算。

圖2 普通住艙艙室布置Fig. 2 Layout of a living cabin

該艙室設(shè)計(jì)空調(diào)送風(fēng)量為250 m3/h，艙室的體積為24.4 m3，因此，換氣次數(shù)為10.2次/h。根據(jù)艦船上的相關(guān)要求，艙室內(nèi)一般沒(méi)有吊頂，因此在建模時(shí)不再設(shè)置天花吊頂。

布風(fēng)器的靜壓箱長(zhǎng)度、寬度、高度尺寸分別為0.45 m×0.45 m×0.16 m，側(cè)面連接的送風(fēng)管管徑為0.12 m，其中風(fēng)速為6.14 m/s，靜壓箱下部的送風(fēng)管管徑為0.16 m，高度為0.05 m，其中風(fēng)速為3.45 m/s。最下方為2塊相距0.02 m，直徑都為0.25 m的上、下送風(fēng)擋板。布風(fēng)器的總高度為0.24 m，其下送風(fēng)擋板布置于距離艙室地面1.95 m處。另外，該房間的回風(fēng)口設(shè)置在房間的門上，根據(jù)0.5的開(kāi)孔率，其等效尺寸為0.4 m×0.15 m，底邊距離艙室地面為0.15 m，回風(fēng)口上的風(fēng)速為1.16 m/s，未超過(guò)限值。當(dāng)下?lián)醢迳蠜](méi)有開(kāi)孔槽時(shí)，空調(diào)送風(fēng)風(fēng)量完全經(jīng)過(guò)上、下?lián)醢逯g的縫隙送風(fēng)，其平均風(fēng)速為4.42 m/s。

根據(jù)典型艙室?guī)缀纬叽缣卣鳎覂?nèi)發(fā)熱量情況，首先利用CAD軟件進(jìn)行建模。本次模擬主要針對(duì)室內(nèi)環(huán)境，因此只針對(duì)會(huì)對(duì)室內(nèi)空調(diào)氣流組織起到較大影響的床板、立柜等進(jìn)行建模。另外，根據(jù)尺寸對(duì)布風(fēng)器進(jìn)行了建模，包括靜壓箱、送風(fēng)管以及上下?lián)醢宓取Ｉ喜靠臻g內(nèi)的各類管線由于和氣流組織關(guān)系不大，因此不予建模。需注意的是，連接靜壓箱的風(fēng)管也無(wú)需建模，在模擬時(shí)可將風(fēng)速入口直接設(shè)置在靜壓箱下部的風(fēng)管內(nèi)即可。

完成幾何建模后，導(dǎo)入網(wǎng)格劃分軟件進(jìn)行劃分網(wǎng)格。需要注意的是，布風(fēng)器周邊的網(wǎng)格需要加密，從而保證仿真計(jì)算能夠有效刻畫速度、溫度梯度較大的出風(fēng)區(qū)域，網(wǎng)格模型如圖3所示。

圖3 艦船住艙幾何建模Fig. 3 Geometric model of a living cabin

模擬中夏季空調(diào)設(shè)計(jì)干球溫度設(shè)置為27 ℃，取送風(fēng)溫差為8 ℃，送風(fēng)溫度設(shè)置為19 ℃。冬季空調(diào)設(shè)計(jì)干球溫度設(shè)置為20 ℃，取送風(fēng)溫差為8 ℃，冬季送風(fēng)溫度設(shè)置為27 ℃。在CFD軟件中將送風(fēng)口設(shè)置為velocity-inlet邊界條件，風(fēng)速3.45 m/s，夏季風(fēng)溫292 K，冬季風(fēng)溫300 K，回風(fēng)口設(shè)置為outflow邊界條件，其他艙壁、家具都設(shè)置成絕熱壁面，整個(gè)計(jì)算域設(shè)置成源項(xiàng)source term，夏季和冬季都設(shè)定恒定發(fā)熱量為21.7 W/m3。

考慮到艦船上沒(méi)有吊頂，在冬季時(shí)，熱空氣沒(méi)有像一般存在吊頂?shù)拇芭撌夷菢佑兄N附射流效應(yīng)，因此考慮在布風(fēng)器的下?lián)醢迳祥_(kāi)設(shè)圓形縫，使得送風(fēng)的效果能夠更為均勻，無(wú)孔槽和有孔槽兩類不同布風(fēng)器的幾何特征如圖4所示。

圖4 兩類布風(fēng)器模型Fig. 4 Two kinds of wind distributors

有孔槽的布風(fēng)器設(shè)置3圈圓形的斜孔槽，內(nèi)部2圈在上部直徑160 mm送風(fēng)管的范圍內(nèi)，由于其60°的傾角以及較小的周長(zhǎng)，使得其透過(guò)的風(fēng)量可以較小，而最外部的1圈與射流的方向一致，可以有效增大透過(guò)其的風(fēng)量，使得整個(gè)布風(fēng)器的送風(fēng)量能夠較為均勻地布置在側(cè)向出風(fēng)和下部出風(fēng)2個(gè)方向內(nèi)，從而使得室內(nèi)的溫度分布能夠更為合理。

4 模擬結(jié)果與分析

按照艦船相關(guān)規(guī)范中對(duì)于空調(diào)效果的要求，艦船住艙夏季空調(diào)設(shè)計(jì)干球溫度應(yīng)達(dá)到27 ℃，控制精度為±2 ℃，即室內(nèi)溫度范圍為25 ℃～29 ℃，室內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)超過(guò)0.3 m/s。冬季空調(diào)設(shè)計(jì)干球溫度應(yīng)達(dá)到20 ℃，控制精度為±2 ℃，即室內(nèi)溫度范圍為18 ℃～22 ℃，室內(nèi)風(fēng)速不應(yīng)超過(guò)0.3 m/s。

經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算，結(jié)果收斂后，CFD后處理可給出艙室內(nèi)的溫度、風(fēng)速等物理參數(shù)分布，分別針對(duì)不同位置給出相應(yīng)的參數(shù)分布圖，以此來(lái)分析開(kāi)孔槽的布風(fēng)器方案對(duì)于室內(nèi)均勻送風(fēng)的作用。

典型4人居住艙室各類冬季和夏季的CFD模擬結(jié)果主要包括空氣干球溫度、室內(nèi)風(fēng)速等。本文取住艙與床鋪垂直的方向?yàn)閄軸（圖表中稱為開(kāi)間方向），與床鋪平行的方向?yàn)閅軸（圖表中稱為進(jìn)深方向），高度方向?yàn)閆軸。對(duì)于空調(diào)效果來(lái)說(shuō)，離地1.5 m高度，即第2層床鋪上方，同時(shí)也是人站立時(shí)的高度的區(qū)域，其溫度場(chǎng)、風(fēng)速場(chǎng)以及沿著艙室開(kāi)間和進(jìn)深方向中心剖面的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)都是能夠表征室內(nèi)氣流組織效果的重要位置。因此，在CFD后處理中針對(duì)上述的空間剖面位置以及其溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)給出了相關(guān)的云圖。

冬季住艙開(kāi)間方向中心位置溫度分布、冬季住艙離地1.5 m處溫度分布如圖5和圖6所示。

可以看出，有孔槽的布風(fēng)器使得上鋪區(qū)域的溫度有所降低，而下鋪高于18 ℃的區(qū)域則有所擴(kuò)展，在距離地面1.5 m處的平面中，有孔槽的布風(fēng)器方案的平均溫度也明顯提高。

冬季住艙開(kāi)間方向中心位置風(fēng)速分布和冬季住艙離地1.5 m處風(fēng)速分布如圖7和圖8所示。

圖5 冬季住艙開(kāi)間方向中心位置溫度分布Fig. 5 Temperature profile in the centre of a living cabin in winter

圖6 冬季住艙離地1.5 m處溫度分布Fig. 6 Temperature profile of the section in 1.5m from the ground of a living cabin in winter

圖7 冬季住艙開(kāi)間方向中心位置風(fēng)速分布Fig. 7 Velocity profile in the centre of a living cabin in winter

可以看出，在冬季，兩類布風(fēng)器方案在剖面和離地1.5 m平面處其風(fēng)速基本都不超過(guò)0.3 m/s的限值。模擬中夏季住艙開(kāi)間方向中心位置溫度分布、夏季住艙離地1.5 m處溫度分布如圖9和圖10所示。

可以看出，在夏季，2種布風(fēng)器方案都能夠滿足室內(nèi)區(qū)域溫度不高于27 ℃的限值。模擬中夏季住艙開(kāi)間方向中心位置風(fēng)速分布、夏季住艙離地1.5 m處風(fēng)速分布如圖11和圖12所示。

圖8 冬季住艙離地1.5 m處風(fēng)速分布Fig. 8 Velocity profile of the section in 1.5m from the ground of a living cabin in

圖9 夏季住艙開(kāi)間方向中心位置溫度分布Fig. 9 Temperature profile in the centre of a living cabin in summer

可以看出，室內(nèi)大部分區(qū)域的風(fēng)速都在0.3 m/s以下，只有在風(fēng)口正下方，由于冷空氣下降的關(guān)系造成風(fēng)速較高。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)上述模擬結(jié)果，可以得到以下有關(guān)孔槽均勻送風(fēng)布風(fēng)器在住艙送風(fēng)效果方面的結(jié)論。

圖10 夏季住艙離地1.5 m處溫度分布Fig. 10 Temperature profile of the section in 1.5m from the ground of a living cabin in summer

圖11 夏季住艙開(kāi)間方向中心位置風(fēng)速分布Fig. 11 Velocity profile in the centre of a living cabin in summer

1）對(duì)于沒(méi)有吊頂?shù)呐灤∨搧?lái)說(shuō)，在冬季工況下，確實(shí)存在著從布風(fēng)器送出的熱風(fēng)由于密度較小往艙室頂部流動(dòng)的情況，且這種熱空氣上浮的情況較之一般有吊頂?shù)姆块g更為嚴(yán)重。在布風(fēng)器下檔板上開(kāi)槽后，較冷的下部2個(gè)床位低于18 ℃的區(qū)域明顯減小，主要由于部分熱風(fēng)能夠通過(guò)下?lián)醢宓目撞鬯惋L(fēng)較低的艙室區(qū)域；

圖12 夏季住艙離地1.5 m處風(fēng)速分布Fig. 12 Velocity profile of the section in 1.5m from the ground of a living cabin in summer

2）冬季工況下，由于上層床位區(qū)域離布風(fēng)器距離近，且熱空氣上浮在上部區(qū)域，并依附于艙室頂部、艙壁以及上部床板形成環(huán)流，因此上層床位較為溫暖。而下層床位由于受到上部床位的影響，溫度較低，但在開(kāi)孔槽擋板的布風(fēng)器方案下基本能夠達(dá)到18 ℃的合理溫度范圍內(nèi)；

3）在冬季工況下，開(kāi)孔槽擋板方案在離地0.7 m和離地1.5 m處的床鋪上方，風(fēng)速都小于0.3 m/s，滿足規(guī)范的要求，而未開(kāi)孔槽的方案在離地1.5 m處的床鋪上方有部分區(qū)域風(fēng)速高于0.3 m/s。

4）在夏季工況下，開(kāi)孔槽和不開(kāi)孔槽兩種方案在離地0.7 m和離地1.5 m處的床鋪上方都能夠達(dá)到27 ℃的設(shè)計(jì)溫度，且分布較為均勻。而在風(fēng)速方面，2種方案都有超過(guò)0.3 m/s風(fēng)速的情況存在，不過(guò)基本集中在布風(fēng)器正下方人員不常停留的區(qū)域。