艦船住艙氣流組織數(shù)值模擬

潘欣鈺

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引 言

艦船的空間相對封閉，其艙室的熱舒適性很大程度上依靠空調(diào)系統(tǒng)。隨著對功效學以及相關(guān)人因工程的研究越來越深入，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]對艦船典型艙室的布風器氣流組織進行了數(shù)值模擬。郭寶坤等[2]采用了試驗與模擬的方法對船用布風器在冬季的射流流場進行了研究。劉亮等[3]針對船舶會議室利用數(shù)值仿真軟件模擬了不同布風器對室內(nèi)氣流組織的影響。

艦船住艙一般無吊頂，相對于民用船舶，其空調(diào)氣流服務工況更為不利，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，整個住艙在高度上存在較大的垂直溫差。本文采用計算流體力學模擬軟件，對比分析不同布風器對室內(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器進行空調(diào)送風，由于艙室面積以及相關(guān)空間凈高的限制，每個住艙一般只能在室內(nèi)空間的中部布置一個布風裝置。因此，該布風器是否能夠具備較為均勻的送風性能將會對艙室內(nèi)的風速、溫度等空氣環(huán)境參數(shù)有著決定性的影響。本文首先針對對一般圓盤型布風器進行模擬，并在此基礎(chǔ)上提出開有斜45°孔槽的布風器形式，進一步提升布風器均勻送風的性能，避免艙室中出現(xiàn)冷熱不均，風速過高或者出現(xiàn)漩渦死區(qū)等不利于使用人員身心健康的空氣環(huán)境。布風器如圖1所示。

2 住艙模擬數(shù)學模型

模擬采用計算流體力學模擬軟件，通過有限體積法數(shù)值求解計算域內(nèi)的各類物理參數(shù)。本文涉及的計算參數(shù)主要包括風速，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指直角坐標系中的x，y，z三個方向；t為時間。

動量守恒方程如下式：

式中：p為流體壓力；μ為流體動力粘性系數(shù)；Su為外部源項。

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，照明負荷按照10 W/m2，共計97.6 W，該艙室體積為24.4 m3，因此夏季艙室內(nèi)的體熱源等效強度為21.7 W/m3。冬季的體熱源強度按照21.7 W/m3估算。

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

該艙室設計空調(diào)送風量為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)一般沒有吊頂，因此在建模時不再設置天花吊頂。

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

根據(jù)典型艙室?guī)缀纬叽缣卣?，室?nèi)發(fā)熱量情況，首先利用CAD軟件進行建模。本次模擬主要針對室內(nèi)環(huán)境，因此只針對會對室內(nèi)空調(diào)氣流組織起到較大影響的床板、立柜等進行建模。另外，根據(jù)尺寸對布風器進行了建模，包括靜壓箱、送風管以及上下?lián)醢宓?。上部空間內(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，連接靜壓箱的風管也無需建模，在模擬時可將風速入口直接設置在靜壓箱下部的風管內(nèi)即可。

完成幾何建模后，導入網(wǎng)格劃分軟件進行劃分網(wǎng)格。需要注意的是，布風器周邊的網(wǎng)格需要加密，從而保證仿真計算能夠有效刻畫速度、溫度梯度較大的出風區(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)設計干球溫度設置為27 ℃，取送風溫差為8 ℃，送風溫度設置為19 ℃。冬季空調(diào)設計干球溫度設置為20 ℃，取送風溫差為8 ℃，冬季送風溫度設置為27 ℃。在CFD軟件中將送風口設置為velocity-inlet邊界條件，風速3.45 m/s，夏季風溫292 K，冬季風溫300 K，回風口設置為outflow邊界條件，其他艙壁、家具都設置成絕熱壁面，整個計算域設置成源項source term，夏季和冬季都設定恒定發(fā)熱量為21.7 W/m3。

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

圖4 兩類布風器模型Fig. 4 Two kinds of wind distributors

有孔槽的布風器設置3圈圓形的斜孔槽，內(nèi)部2圈在上部直徑160 mm送風管的范圍內(nèi)，由于其60°的傾角以及較小的周長，使得其透過的風量可以較小，而最外部的1圈與射流的方向一致，可以有效增大透過其的風量，使得整個布風器的送風量能夠較為均勻地布置在側(cè)向出風和下部出風2個方向內(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)范中對于空調(diào)效果的要求，艦船住艙夏季空調(diào)設計干球溫度應達到27 ℃，控制精度為±2 ℃，即室內(nèi)溫度范圍為25 ℃～29 ℃，室內(nèi)風速不應超過0.3 m/s。冬季空調(diào)設計干球溫度應達到20 ℃，控制精度為±2 ℃，即室內(nèi)溫度范圍為18 ℃～22 ℃，室內(nèi)風速不應超過0.3 m/s。

經(jīng)過迭代計算，結(jié)果收斂后，CFD后處理可給出艙室內(nèi)的溫度、風速等物理參數(shù)分布，分別針對不同位置給出相應的參數(shù)分布圖，以此來分析開孔槽的布風器方案對于室內(nèi)均勻送風的作用。

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)風速等。本文取住艙與床鋪垂直的方向為X軸（圖表中稱為開間方向），與床鋪平行的方向為Y軸（圖表中稱為進深方向），高度方向為Z軸。對于空調(diào)效果來說，離地1.5 m高度，即第2層床鋪上方，同時也是人站立時的高度的區(qū)域，其溫度場、風速場以及沿著艙室開間和進深方向中心剖面的溫度場和速度場都是能夠表征室內(nèi)氣流組織效果的重要位置。因此，在CFD后處理中針對上述的空間剖面位置以及其溫度場和速度場給出了相關(guān)的云圖。

冬季住艙開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)域則有所擴展，在距離地面1.5 m處的平面中，有孔槽的布風器方案的平均溫度也明顯提高。

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

圖5 冬季住艙開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 冬季住艙開間方向中心位置風速分布Fig. 7 Velocity profile in the centre of a living cabin in winter

可以看出，在冬季，兩類布風器方案在剖面和離地1.5 m平面處其風速基本都不超過0.3 m/s的限值。模擬中夏季住艙開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。模擬中夏季住艙開間方向中心位置風速分布、夏季住艙離地1.5 m處風速分布如圖11和圖12所示。

圖8 冬季住艙離地1.5 m處風速分布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)域的風速都在0.3 m/s以下，只有在風口正下方，由于冷空氣下降的關(guān)系造成風速較高。

5 結(jié) 語

根據(jù)上述模擬結(jié)果，可以得到以下有關(guān)孔槽均勻送風布風器在住艙送風效果方面的結(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 夏季住艙開間方向中心位置風速分布Fig. 11 Velocity profile in the centre of a living cabin in summer

1）對于沒有吊頂?shù)呐灤∨搧碚f，在冬季工況下，確實存在著從布風器送出的熱風由于密度較小往艙室頂部流動的情況，且這種熱空氣上浮的情況較之一般有吊頂?shù)姆块g更為嚴重。在布風器下檔板上開槽后，較冷的下部2個床位低于18 ℃的區(qū)域明顯減小，主要由于部分熱風能夠通過下?lián)醢宓目撞鬯惋L較低的艙室區(qū)域；

圖12 夏季住艙離地1.5 m處風速分布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，但在開孔槽擋板的布風器方案下基本能夠達到18 ℃的合理溫度范圍內(nèi)；

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

4）在夏季工況下，開孔槽和不開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到27 ℃的設計溫度，且分布較為均勻。而在風速方面，2種方案都有超過0.3 m/s風速的情況存在，不過基本集中在布風器正下方人員不常停留的區(qū)域。