變風(fēng)量空調(diào)典型艙室氣流組織數(shù)值模擬

李培銘，沈恒，曹輝

（1.海軍裝備部，北京 100071； 2.中船重工集團(tuán)第704研究所，上海 200031）

0 引言

隨著現(xiàn)代艦船功能多樣化、復(fù)雜化、大型化、遠(yuǎn)洋化的深入發(fā)展，大型艦船內(nèi)部設(shè)備眾多、人員眾多，是一個(gè)典型的復(fù)雜人-機(jī)-環(huán)系統(tǒng)，船員在這種復(fù)雜的環(huán)境下工作和生活，生活單調(diào)、工作壓力大，易造成不適、精神不振、失眠等生理問(wèn)題，因此艙室內(nèi)部居住環(huán)境的進(jìn)一步改善，是關(guān)系艦員身體健康和戰(zhàn)斗力的重要因素之一。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代艦船空調(diào)系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，由于變風(fēng)量空調(diào)在運(yùn)行時(shí)風(fēng)量不斷改變，艙室氣流組織也發(fā)生較大變化，會(huì)偏離額定設(shè)計(jì)狀態(tài)，使得艙室的氣流分布造成很大的不確定性。在變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)中，風(fēng)量變化導(dǎo)致風(fēng)口送風(fēng)特性的改變，這種改變通常要求送風(fēng)口保持射程、氣流速度、貼附效應(yīng)和氣流運(yùn)動(dòng)來(lái)得到補(bǔ)償。然而，很多實(shí)例表明，大量的風(fēng)口產(chǎn)品樣本缺少在流量減少工況下的性能參數(shù)，給設(shè)計(jì)帶來(lái)很多困難，常規(guī)的按照額定風(fēng)量進(jìn)行選型設(shè)計(jì)的方法，使得變風(fēng)量系統(tǒng)在部分負(fù)荷工況下，送風(fēng)速度減小，射流受到“浮升力”或是“下墜力”的影響，“冷風(fēng)下墜”和“熱風(fēng)上浮”問(wèn)題十分嚴(yán)重，導(dǎo)致局部不合理的溫度、速度分布，對(duì)人體熱舒適感覺(jué)影響很大。

文章以提高艦船居住艙室熱舒適性為目標(biāo)，并為變風(fēng)量空調(diào)在艦船上應(yīng)用提供指導(dǎo)，采用CFD軟件對(duì)變風(fēng)量空調(diào)艙室的氣流組織進(jìn)行模擬分析，選取三種典型居住艙艙室作為氣流組織數(shù)值模擬對(duì)象，模擬變風(fēng)量?jī)煞N極限工況下的艙室氣流組織，采用GB50736標(biāo)準(zhǔn)（GB50736標(biāo)準(zhǔn)V<0.25m/s）評(píng)價(jià)艙室氣流組織。

圖1 三種典型艙室物理模型

1 艙室物理模型與送風(fēng)方式

三種典型艙室送風(fēng)方式均采用貼頂平板射流上送風(fēng)方式，回風(fēng)方式為下回風(fēng)方式。圖1為三種典型艙室物理模型：套房艙室、兩人艙室和四人艙室。

套房艙室房間模型尺寸為7.62m×4.3m×2.1m，分為辦公室和臥室。套房辦公室包含兩個(gè)圓形頂送風(fēng)裝置、兩個(gè)回風(fēng)裝置和辦公桌椅等；套房臥室包含一個(gè)頂送風(fēng)裝置、通向洗手間的回風(fēng)格柵、床和柜子等；辦公室最大送風(fēng)量為550m3/h、最小送風(fēng)量為275m3/h；臥室最大送風(fēng)量為130m3/h、最小送風(fēng)量為85m3/h，艙室模型如圖1(a)所示。

兩人艙室房間模型尺寸為4.35m×4.35m×2.1m，艙室包含一個(gè)圓形頂送風(fēng)裝置、一個(gè)通向洗手間的回風(fēng)格柵和布置門(mén)上的回風(fēng)格柵、辦公桌椅、床和柜子等。兩人艙室最大送風(fēng)量為300m3/h、最小送風(fēng)量120m3/h，艙室模型如圖1(b)所示。

四人艙室房間模型尺寸為4.35m×4.35m×2.1m，艙室包含兩個(gè)圓形頂送風(fēng)裝置、一個(gè)通向洗手間的回風(fēng)格柵和布置門(mén)上的回風(fēng)格柵、辦公桌椅、床和柜子等。四人艙室最大送風(fēng)量為450m3/h、最小送風(fēng)量240m3/h，艙室模型如圖1(c)所示。

2 艙室數(shù)學(xué)模型與邊界條件

空調(diào)室內(nèi)的氣流基本都是湍流，故文章采用湍流模型對(duì)室內(nèi)氣流組織的三維不可壓縮湍流流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬。嚴(yán)格的講，空調(diào)室內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)都是非穩(wěn)態(tài)的，對(duì)于變風(fēng)量空調(diào)更是如此，然而我們最關(guān)心的是變風(fēng)量空調(diào)室內(nèi)在每一種工況下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的氣流組織，為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，假設(shè)在每種工況穩(wěn)定后，氣流做定常流動(dòng)。文章假設(shè)流體為不可壓縮流體，采用標(biāo)準(zhǔn)湍流流體模型計(jì)算。艙室內(nèi)氣體假設(shè)不可壓縮氣體且符合Boussinesp假設(shè)。艙室空氣流動(dòng)屬于有限大空間紊流類(lèi)型，因此采用工程實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的k-ε雙方程模型進(jìn)行求解。對(duì)于不可壓流動(dòng)，笛卡爾坐標(biāo)系下的湍流控制方程如下：

式(1)～(5)中：ρ是空氣密度，t是時(shí)間，u、v和w分別是速度矢量在x、y和z方向上的分量，p是流體微元體上的壓力；τxy、τxx和τxz等是因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量；Fx、Fy和Fz是微元體上的體積力，若體積力只有重力，且z軸豎直向上，則Fx=0，F(xiàn)y=0，F(xiàn)z=--ρg，Cp是比熱容，T是溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，ST為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

圖2 最大風(fēng)量套房艙室不同截面速度的分布圖

圖3 最大風(fēng)量?jī)扇伺撌也煌孛嫠俣鹊姆植紙D

圖4 最大風(fēng)量四人艙室不同截面速度的分布圖

圖5 最小風(fēng)量套房艙室不同截面速度分布圖

圖6 最小風(fēng)量?jī)扇伺撌也煌孛嫠俣确植紙D

圖7 最小風(fēng)量四人艙室不同截面速度分布圖

艙室物理模型送風(fēng)口邊界條件均定義為速度入口，設(shè)置各送風(fēng)口的速度和溫度。由于k、ε難以測(cè)量和計(jì)算，此處可采用紊流強(qiáng)度與特性尺寸來(lái)定義紊流，鑒于入口處雷諾數(shù)較小，紊流強(qiáng)度設(shè)為2%，水力直徑計(jì)算為200mm?；仫L(fēng)口定義為壓力出口邊界條件，設(shè)置壓強(qiáng)為大氣壓力，采用紊流強(qiáng)度與特性尺寸來(lái)定義紊流，鑒于出口處雷諾數(shù)較大，紊流強(qiáng)度設(shè)為5%，水力直徑計(jì)算為300mm。

艙室四壁及地面均定義為對(duì)流熱傳導(dǎo)的熱邊界條件，圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為αw=37.5764W/(m2?℃)。艙室隔熱材料為聚氨酯泡沫塑料，其導(dǎo)熱系數(shù)λ=0.022W/(m?℃)，隔熱層厚度δ=120mm。

3 數(shù)值計(jì)算分析

本節(jié)給出最大風(fēng)量工況和最小風(fēng)量工況下三種典型艙室室內(nèi)氣流模擬結(jié)果，并分析三種典型艙室內(nèi)的相關(guān)參數(shù)能否滿足艦船居住環(huán)境的舒適性要求。

圖2～4所示分別為最大風(fēng)量工況下套房艙室、兩人艙室和四人艙室室內(nèi)不同截面內(nèi)的速度分布情況；圖5～7所示分別為最小風(fēng)量工況下的三種典型艙室室內(nèi)的速度分布圖。

三種典型艙室采用上側(cè)送、異側(cè)下回氣流組織時(shí)，送出的空調(diào)風(fēng)緊貼天花板流動(dòng)。由于出風(fēng)速度較高，誘導(dǎo)出風(fēng)口附近的空氣隨著流動(dòng)，這樣整個(gè)空調(diào)氣流層較厚，并且靠近鋪板處的氣流速度衰減較快，但是上鋪由于距離頂部較近，該區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速比較大，入射氣流隨著射程增加速度逐漸下降，溫度逐漸升高，部分空氣在重力作用下向下流動(dòng)，大部分空氣到達(dá)對(duì)面艙壁后由于艙壁的阻礙作用沿艙壁下移到達(dá)到排風(fēng)口后產(chǎn)生分流，大部分氣體直接排出艙外，小部分沿地面回流到艙內(nèi)。

在最大風(fēng)量工況下，由于套房艙室和兩人艙室的床鋪距離頂部較遠(yuǎn)，艙室上鋪人體的吹風(fēng)感不強(qiáng)，舒適性較好，頂部區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速比較大。套房艙室辦公處氣流沿頂部向四周射出，氣體再沿壁面下墜，工作區(qū)域氣流速度在0.25m/s以下，冷氣流的吹風(fēng)對(duì)人體無(wú)影響。兩人艙室在鋪板之間的走道處氣流下墜比較明顯，在人員走動(dòng)的空間范圍內(nèi)，氣流速度在0.25m/s以下，冷氣流的吹風(fēng)對(duì)人體無(wú)影響。

四人艙室下鋪人體的吹風(fēng)感不強(qiáng)，由于上鋪距離頂部較近，該區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速比較大，在上鋪板處接近0.3m/s，下鋪的風(fēng)速均在0.1m/s，上鋪人員會(huì)有明顯的吹風(fēng)感，舒適性比中、下鋪差。在鋪板之間的走道處氣流沿壁面下墜，在人員走動(dòng)的空間范圍內(nèi)，氣流速度在0.25m/s以下，冷氣流的吹風(fēng)對(duì)人體無(wú)影響。

在最小風(fēng)量工況下，由于各個(gè)艙室送風(fēng)量均比最大風(fēng)量工況下要小，所以人體活動(dòng)區(qū)內(nèi)的氣流速度均小于0.2m/s。

以上分析可知，不同工況下套房艙室、兩人艙室和四人艙室氣流組織分布，人體活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的速度值小于0.25m/s，符合室內(nèi)送風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)和人體舒適性的要求。

4 結(jié)論

套房艙室、兩人艙室和四人艙室在最大風(fēng)量工況下和最小風(fēng)量工況下，送風(fēng)裝置送風(fēng)速度分布為平行頂部而且向四周射流的速度分布，艙室內(nèi)頂部區(qū)域內(nèi)的速度偏大，但艙室內(nèi)頂部區(qū)域非人體活動(dòng)區(qū)域，不會(huì)影響到人體活動(dòng)區(qū)域的速度分布，人體活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的速度值小于0.25m/s，滿足相關(guān)艙室氣流組織舒適性要求，為變風(fēng)量空調(diào)艙室氣流設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

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