船舶艙室置換通風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)值模擬和優(yōu)化

陳 豪 郭 磊 華呈新

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 上海201913）

引 言

安全、舒適和健康的船舶艙室空氣環(huán)境是現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)和建造中的一個重要方面，船舶艙室往往具有層高較低、空間封閉和人員密集等特點(diǎn)，而軍用艦船、公務(wù)船和豪華客船等還對空氣環(huán)境有許多特殊要求，其空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨著更大的挑戰(zhàn)。

目前船舶艙室空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)布置主要采用傳統(tǒng)的上送風(fēng)形式，利用射流運(yùn)動帶動室內(nèi)空氣循環(huán)，使室內(nèi)空氣充分混合后再排至室外，其特點(diǎn)是室內(nèi)溫度上下基本一致，但工作區(qū)新鮮空氣量較少。采用下送上回的置換通風(fēng)系統(tǒng)則是利用室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱對流氣流上升過程中卷吸周圍空氣，形成近似活塞流進(jìn)行室內(nèi)空氣的置換，具有通風(fēng)效率高、空氣品質(zhì)好和降低能耗等特點(diǎn)。置換通風(fēng)系統(tǒng)自20世紀(jì)70年代起源于歐洲以來，研究者對其進(jìn)行了許多研究，Mathisen［1］、Sandberg［2］等通過理論分析和實(shí)驗(yàn)研究證明了置換通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)，Bauman［3］等對靜壓箱送風(fēng)的室內(nèi)氣流組織、空氣齡和熱力分層規(guī)律進(jìn)行了研究，Kim［4］針對置換通風(fēng)系統(tǒng)中人體周圍污染物濃度分布進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，馬仁民［5］等對置換通風(fēng)的效率、熱力分層高度和空氣層溫升等問題進(jìn)行了研究。

座椅送風(fēng)屬于置換通風(fēng)系統(tǒng)的一種具體形式，在陸地上一般應(yīng)用于大型劇院和體育館等層高較高的建筑。這主要是由于置換通風(fēng)在穩(wěn)定狀態(tài)時，室內(nèi)空氣在流態(tài)上分為上下兩個不同的區(qū)域，其分界面應(yīng)控制在人員活動區(qū)域之上。因此，將座椅送風(fēng)應(yīng)用于層高較低的船舶艙室時，需要在設(shè)計(jì)前期就進(jìn)行充分研究，以確保人員活動區(qū)域的空氣質(zhì)量和熱舒適性。

1 理論和方法

流體流動遵循的控制方程用式（1）所示通用形式來表示［6］：

式中：各項(xiàng)依次為瞬態(tài)項(xiàng)、對流項(xiàng)、擴(kuò)散項(xiàng)和源項(xiàng)，u為速度矢量；為通用變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)。對于特定方程，、Γ、S的特定形式見表1。

表1 通用控制方程中各符號的具體形式

本文數(shù)值模擬采用FloEFD軟件，對湍流的處理采用基于雷諾時均方程的k-ε湍流模型，其是目前工程中使用最廣泛的湍流模型。標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型引入兩個額外的輸運(yùn)方程來描述湍流動能k和耗散率ε，見式（2）與式（3）：

通過基于結(jié)構(gòu)化自適應(yīng)網(wǎng)格的有限體積法來求解雷諾時均方程，通過網(wǎng)格局部優(yōu)化技術(shù)來適應(yīng)物體邊界，采用雙尺度壁面函數(shù)模型來解決邊界層問題，空間上采用二階精度的差分格式，其中對流項(xiàng)采用迎風(fēng)差分格式，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式，時間上采用隱式歐拉格式，采用類SIMPLE法求解速度壓力耦合方程。

目前熱舒適性評價方法主要是根據(jù)Fanger教授的研究成果［7］制定的國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730［8］（國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18049［9］），評價指標(biāo)主要包括預(yù)測平均熱感覺指標(biāo)（Predicted mean vote，PMV）、預(yù)計(jì)不滿意百分比（Predicted percentage dissatisfied，PPD）、吹風(fēng)感（Draught rate，DR）和垂直溫差不滿意百分比（Percentage dissatisfied，PD）等。

2 船舶艙室座椅送風(fēng)系統(tǒng)模型

座椅送風(fēng)屬于置換通風(fēng)的一種具體形式，因此以置換通風(fēng)理論作為其設(shè)計(jì)依據(jù)。新鮮的冷空氣由房間的底部以極低的速度（＜0.3 m/s），送入低溫、低速的新鮮空氣。由于動量很低，所以對室內(nèi)主導(dǎo)氣流影響較小，在重力作用下先是下沉，隨后慢慢擴(kuò)散，在地面上形成一個“空氣湖”， 利用室內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱對流氣流上升過程中卷吸周圍空氣，形成近似活塞流進(jìn)行室內(nèi)空氣的置換。由此，新鮮的空氣便得以直接進(jìn)入呼吸區(qū)。

本文研究的艙室為某船學(xué)術(shù)廳，其平面圖和側(cè)視圖如圖1所示，該學(xué)術(shù)廳整體呈階梯狀。利用階梯形地板和船體板之間的空腔作為送風(fēng)靜壓箱，靜壓箱底部接入空調(diào)送風(fēng)管道，每個座椅下方設(shè)置有一個座椅送風(fēng)柱。由于主席臺處不方便設(shè)置地板送風(fēng)，因此還設(shè)有兩個傳統(tǒng)的布風(fēng)器作為補(bǔ)充，主席臺兩側(cè)門設(shè)置回風(fēng)口，最后一排座椅上方設(shè)置有4個抽風(fēng)格柵。

根據(jù)圖紙建立的數(shù)值計(jì)算模型如圖2所示。模型以yz平面為對稱面，室內(nèi)照明包括筒燈和頂部短斜邊處延伸到墻面的門形LED燈帶。

圖1 學(xué)術(shù)廳圖紙

圖2 學(xué)術(shù)廳模型

3 數(shù)值模擬和優(yōu)化

該學(xué)術(shù)廳設(shè)計(jì)條件為夏季26℃，冬季20℃。原始方案中，根據(jù)空調(diào)負(fù)荷及風(fēng)量平衡計(jì)算，得到艙室送風(fēng)量為3 680 m3/h，夏季送風(fēng)溫度為20℃，冬季送風(fēng)溫度為22℃，其中座椅送風(fēng)量為3 280 m3/h。在此風(fēng)量下， 每個送風(fēng)柱風(fēng)量為40 m3/h。故選用直徑為130 mm、高為200 mm的送風(fēng)柱，圓柱面開孔率為41%，布風(fēng)器風(fēng)量為400 m3/h，抽風(fēng)口風(fēng)量為900 m3/h。邊界條件根據(jù)學(xué)術(shù)廳周圍的艙室布置參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13409［10］進(jìn)行設(shè)置。

下頁圖3和圖4分別為原始方案中夏季工況下的溫度云圖和速度云圖。

由圖3可以看出，艙室中的氣流組織具有典型的置換通風(fēng)系統(tǒng)特征，空氣分層現(xiàn)象明顯，由座椅送風(fēng)柱送入的空氣在重力作用下下沉并擴(kuò)散，在底部形成一個溫度較低的“空氣湖”，由于層高不足、排風(fēng)口設(shè)置不合理等原因，使熱對流作用形成的分界面太低，整個空間中溫度分層明顯，艙室內(nèi)整體平均溫度為26.1℃，但只有中間區(qū)域保持在26℃左右，垂直方向溫度梯度過大。由圖4可以看出，主席臺附近由于屬于布風(fēng)器送風(fēng)，氣流速度比座椅送風(fēng)區(qū)域略大，艙室內(nèi)平均風(fēng)速為0.087 m/s，人體周圍風(fēng)速小于0.2 m/s。

圖5和圖6分別為原始方案中冬季工況下的溫度云圖和速度云圖。

由圖5可以看出，由于冬季工況下送入氣流溫度較高，由座椅送風(fēng)柱送入的空氣不會因重力作用而下沉，溫度較高的空氣進(jìn)入艙室內(nèi)以后被快速抬升至艙室頂部，使整個艙室中溫度分布較為均勻，艙室內(nèi)平均溫度為20.2℃。由圖6可以看出，冬季工況下由于熱浮升力作用使氣流速度要略大于夏季工況，艙室內(nèi)平均風(fēng)速為0.100 m/s，人體周圍風(fēng)速小于0.2 m/s。

為進(jìn)一步定量地分析置換通風(fēng)系統(tǒng)舒適性，本文根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7730 （國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18049），采用預(yù)測平均熱感覺指標(biāo)PMV（-0.5＜ PMV ＜ 0.5），預(yù)計(jì)不滿意百分比 PPD（＜ 10%），吹風(fēng)感DR（＜ 20%）以及垂直溫差不滿意百分比PD（＜ 10%）等指標(biāo)進(jìn)行評價。相關(guān)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果見表2，夏季工況下PMV為0.48。由于表中給出的PMV是整個艙室的平均值，因此該值處于標(biāo)準(zhǔn)要求范圍之內(nèi)。

圖3 原始方案夏季溫度云圖（x=2.305 m）

圖4 原始方案夏季速度云圖（x=2.305 m）

圖5 原始方案冬季溫度云圖（x=2.305 m）

圖6 原始方案冬季速度云圖（x=2.305 m）

事實(shí)上，由圖3可以看出溫度分層明顯，且滿足設(shè)計(jì)條件的區(qū)域只有中間部分。對于圖3所示溫度梯度較大的情況，已經(jīng)不能簡單地用PMV來進(jìn)行評價，而應(yīng)該綜合分析PPD和PD等指標(biāo)來評價整個艙室的熱舒適性。PPD為33.4%，不滿足要求；DR處于要求范圍之內(nèi)且數(shù)值較小，說明置換通風(fēng)系統(tǒng)具有低吹風(fēng)感的特點(diǎn)。由于艙室內(nèi)溫度分層明顯，因此PD為26.3%，已經(jīng)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)要求。冬季工況下，僅PPD（12%）略大于標(biāo)準(zhǔn)要求，其余指標(biāo)都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

由以上計(jì)算結(jié)果及分析可知，原始方案在夏季工況下溫度梯度較大，不滿足舒適性要求，因此需進(jìn)行針對性優(yōu)化。優(yōu)化方案中，取消最后一排座椅頂部的4個抽風(fēng)格柵，并對頂部5條短斜邊的功能進(jìn)行修改，將中間3條短斜邊改為回風(fēng)口，最后1條短斜邊改為抽風(fēng)口（如圖7所示），同時將座椅送風(fēng)溫度改為23℃，布風(fēng)器送風(fēng)溫度改為16℃，以改善夏季工況下艙室內(nèi)溫度梯度過大的情況。圖8和圖9分別為該優(yōu)化方案中夏季工況下的溫度云圖和速度云圖。

由圖7可以看出，艙室中仍有空氣分層現(xiàn)象，但分界面明顯升高，同時由于提高了座椅送風(fēng)溫度，優(yōu)化方案使整個艙室中大部分區(qū)域保持在26℃左右，相比原始方案減小了垂直方向溫度梯度。雖然送風(fēng)溫度提高了，但增加的回風(fēng)口使氣流不會積聚在艙室頂部，此時艙室內(nèi)平均溫度為26.3℃，滿足設(shè)計(jì)條件。由圖9可以看出，由于在艙室頂部增加了回風(fēng)口，人體熱源產(chǎn)生的熱對流直接排出室外，使整個艙室中的氣流速度相比原始方案略有增加，艙室內(nèi)平均風(fēng)速為0.088 m/s，人體周圍風(fēng)速小于0.2 m/s。

優(yōu)化方案中，冬季工況送風(fēng)溫度仍為22℃。圖10和圖11分別為優(yōu)化方案中冬季工況下的溫度云圖和速度云圖。

圖8 優(yōu)化方案夏季溫度云圖（x=2.305 m）

圖9 優(yōu)化方案夏季速度云圖（x=2.305 m）

圖10 優(yōu)化方案冬季溫度云圖（x=2.305 m）

圖11 優(yōu)化方案冬季速度云圖（x=2.305 m）

由圖10可以看出，冬季工況下優(yōu)化方案與原始方案溫度分布類似，優(yōu)化方案略優(yōu)于原始方案，艙室內(nèi)平均溫度為19.8℃。由圖11可以看出，冬季工況下優(yōu)化方案中艙室內(nèi)風(fēng)速略大于原始方案，艙室內(nèi)平均風(fēng)速為0.103 m/s，人體周圍風(fēng)速小于0.2 m/s。

同樣給出優(yōu)化方案中舒適性指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 優(yōu)化方案舒適性指標(biāo)

此時，無論是夏季工況還是冬季工況，各項(xiàng)指標(biāo)都優(yōu)于原始方案，僅夏季工況下吹風(fēng)感略有提升，且除了PPD外同，各項(xiàng)指標(biāo)都滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。這是由于艙室層高限制以及置換通風(fēng)系統(tǒng)溫度分層的特點(diǎn)，使艙室頂部還存在部分溫度過高的區(qū)域。此時PPD為10.6%，略大于標(biāo)準(zhǔn)要求，但總體而言，優(yōu)化方案還是達(dá)到了優(yōu)化艙室熱舒適性的目的，滿足了設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 語

本文針對某實(shí)船艙室置換通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和優(yōu)化研究，將優(yōu)化方案和原始方案在速度、溫度和熱舒適性指標(biāo)上進(jìn)行了對比分析。

研究結(jié)果表明：

（1）置換通風(fēng)系統(tǒng)具有流動分層的特點(diǎn)，垂直方向存在溫度梯度，送風(fēng)速度低，可降低吹風(fēng)感；

（2）置換通風(fēng)系統(tǒng)中由熱對流將氣流排出，送風(fēng)路徑短，保證人體周圍的空氣品質(zhì)；

（3）置換通風(fēng)系統(tǒng)可使人體周圍保持在26℃左右，熱舒適性指標(biāo)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

后續(xù)可針對以下方面進(jìn)行深入研究：

（1）針對溫度分層現(xiàn)象，可考慮結(jié)合冷卻吊頂?shù)确绞絹硐怪睖囟忍荻龋?/p>

（2）針對艙室中的空氣污染物，可對置換通風(fēng)系統(tǒng)對人體周圍污染物濃度和艙室整體污染物的去除效果進(jìn)行研究；

（3）結(jié)合數(shù)值計(jì)算和實(shí)際測量結(jié)果作進(jìn)一步對比分析。

通過本文的研究表明，綜合考慮速度、溫度和熱舒適性指標(biāo)等要求，置換通風(fēng)系統(tǒng)可為人員密集的船舶艙室提供良好的空氣環(huán)境。本文的研究結(jié)果可為后續(xù)船舶艙室置換通風(fēng)系統(tǒng)的應(yīng)用研究提供參考和借鑒。