基于ADPI的居住艙室空氣環(huán)境舒適性數(shù)值分析

楊 勇，王 波,黃明喜，劉金華

(1.海軍裝備部駐上海地區(qū)軍事代表局 駐上海地區(qū)第一軍事代表室，上海201913；2.上海船舶工藝研究所，上海200032；3.煙臺(tái)中集來福士海洋工程有限公司，山東 煙臺(tái) 264000)

0 引 言

居住艙室作為船員休息的主要場(chǎng)所，其環(huán)境直接影響船員的居住舒適性及工作效率。船上工作環(huán)境窄小，活動(dòng)范圍受限，易出現(xiàn)疲勞、睡眠質(zhì)量差和暈船等現(xiàn)象，這對(duì)船員居住舒適性提出了更高要求。

當(dāng)前，CFD技術(shù)已成為艙室內(nèi)氣流組織研究的主要手段之一。郭寶坤等[1]采用CFD技術(shù)對(duì)冬季工況下船用布風(fēng)器的射流流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析。張衛(wèi)東等[2]采用CFD技術(shù)，通過改變風(fēng)量分配和風(fēng)口形式等對(duì)艙室氣流溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并提出優(yōu)化方案。李以通[3]通過建立艙室氣流分布綜合評(píng)價(jià)體系，對(duì)采用不同布風(fēng)器送風(fēng)情況下的室內(nèi)氣流分布進(jìn)行綜合評(píng)估，給出布風(fēng)器選型的相關(guān)建議。亓海青等[4]采用CFD技術(shù)對(duì)某4人居住艙室夏季工況下室內(nèi)風(fēng)速、溫度、相對(duì)濕度、CO2溶解度進(jìn)行模擬分析，研究送風(fēng)角度、送風(fēng)溫度和送風(fēng)量對(duì)氣流組織熱舒適性及空氣品質(zhì)的影響。顏曉光等[5]利用Airpak對(duì)某艙室的熱環(huán)境和氣流組織進(jìn)行模擬，并對(duì)艙室空氣速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，為艙室氣流組織和舒適性改善提供支撐。

選取某船6人居住艙室為研究對(duì)象，利用CFD方法進(jìn)行艙室內(nèi)氣流場(chǎng)模擬，對(duì)夏季不同送風(fēng)工況下的氣流速度和溫度進(jìn)行分析，并依據(jù)ISO 7730標(biāo)準(zhǔn)，以空氣分布特性指標(biāo)(Air Diffusion Performance Index,ADPI)[6]評(píng)價(jià)該艙室熱舒適性，得到不同送風(fēng)溫度下的最佳送風(fēng)量。

1 空氣分布特性指標(biāo)

人體表面對(duì)吹風(fēng)感較為敏感，空氣溫度和風(fēng)速不適宜會(huì)導(dǎo)致不舒適，一般用有效溫差ΔET來判定舒適性。ΔET是反映空調(diào)區(qū)內(nèi)空氣溫度和風(fēng)速綜合作用的舒適性指標(biāo)，其定義為

ΔET=(ti-tn)-7.66(ui-0.15)

(1)

式中：ΔET為有效溫差，K；ti為測(cè)點(diǎn)溫度，K；ui為測(cè)點(diǎn)速度，m/s；tn為工作區(qū)溫度，K。

ASHRAE 62-1989標(biāo)準(zhǔn)[7]規(guī)定，當(dāng)測(cè)點(diǎn)處的ΔET在-1.7～1.1 K，且ui<0.35 m/s時(shí)，可認(rèn)為此測(cè)點(diǎn)的溫度和風(fēng)速對(duì)于人體是舒適的。ADPI作為舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)，可用于判斷是否有吹風(fēng)感，評(píng)價(jià)空氣溫度和風(fēng)速對(duì)人體綜合作用下的熱舒適效果。其定義為工作區(qū)內(nèi)滿足-1.7 K<ΔET<1.1 K要求的點(diǎn)占總測(cè)點(diǎn)數(shù)的百分比，即

-1.7<ΔET<+1.1

(2)

當(dāng)ADPI≥80%時(shí)，可認(rèn)為該艙室內(nèi)氣流組織是令人滿意的。

考慮到在居住艙室的主要活動(dòng)是睡眠，根據(jù)上/下床鋪的垂直高度，選取上/下鋪垂直剖面上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，再根據(jù)這些點(diǎn)的速度和溫度值計(jì)算得到艙室內(nèi)上/下鋪ADPI，以此評(píng)估該居住艙室的熱舒適性。

2 數(shù)值模擬

2.1 物理模型

研究對(duì)象為某船6人居住艙室，位于舷側(cè)，但沒有舷窗，室內(nèi)有3張上/下鋪床和3個(gè)雙人衣柜。艙室設(shè)置2個(gè)布風(fēng)器，每個(gè)布風(fēng)器送風(fēng)量為300 m3/h。艙室門上設(shè)有1個(gè)矩形出風(fēng)口，尺寸為444 mm×546 mm，中心離二甲板0.4 m。布風(fēng)器上端為靜壓箱，靜壓箱尺寸為500 mm×450 mm×150 mm，靜壓箱下方為圓形風(fēng)管，風(fēng)管尺寸為直徑0.155 m，高0.06 m，風(fēng)管下端設(shè)置圓形擋板，直徑為0.255 m。

為了提高模擬速度，節(jié)省計(jì)算成本，在建模過程中進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，如圖1所示。

圖1 簡(jiǎn)化后的艙室模型

(1)將人體簡(jiǎn)化為1.7 m×0.4 m×0.2 m的立方體；

(2)將靠近舷側(cè)的有船體型線曲度的艙壁簡(jiǎn)化為直壁；

(3)將風(fēng)管適當(dāng)簡(jiǎn)化為直筒及矩形管；

(4)將床下鋪簡(jiǎn)化為立方體，上鋪簡(jiǎn)化為一塊連接艙壁的板，省去護(hù)欄。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。首先建立基本模型，并進(jìn)行網(wǎng)格粗劃分，然后對(duì)送風(fēng)口區(qū)域、靜壓箱附近區(qū)域和出風(fēng)口區(qū)域進(jìn)行局部加密處理，模型網(wǎng)格數(shù)量約65萬個(gè)，網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 艙室網(wǎng)格模型

2.3 控制方程

通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的氣體流動(dòng)速度較低，為不可壓縮流體的定常流動(dòng)，為了方便求解，對(duì)居住艙室內(nèi)的氣體流動(dòng)進(jìn)行合理假設(shè)：

(1)滿足廣義牛頓黏性應(yīng)力相關(guān)公式；

(2)不考慮因流體黏性力做功而產(chǎn)生的耗散熱；

(3)流場(chǎng)具有高湍流雷諾數(shù)；

(4)流體與熱源間的換熱為對(duì)流換熱，不考慮輻射傳熱；

(5)艙室內(nèi)氣體流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流；

(6)除送風(fēng)和回風(fēng)口外，艙室具有良好的密閉性。

根據(jù)以上假設(shè)，其控制方程為

(3)

式中：Φ為通用變量；u、Γ、s分別為速度矢量、廣義擴(kuò)散系數(shù)和源項(xiàng)。

2.4 邊界條件和求解模型

居住艙室的熱量主要來自人體與外界的熱量交換[8]。針對(duì)艙室實(shí)際情況，根據(jù)《船舶起居處所空調(diào)調(diào)節(jié)與通風(fēng)設(shè)計(jì)參數(shù)與計(jì)算方法》(GB/T 13409-1992)對(duì)艙內(nèi)傳入熱量進(jìn)行計(jì)算。

(1)艙內(nèi)傳入熱量

根據(jù)GB/T 13409-1992，艙內(nèi)傳入熱量計(jì)算方法為

q=∑q1+∑q2+∑q3+∑qg

(4)

式中：∑q1為受到日曬的船舷、甲板及艙壁傳入熱量總和，W；∑q2為非空調(diào)艙室傳入熱量總和，W；∑q3為遮陽艙壁、甲板傳入熱量總和，W；∑qg為玻璃艙傳入熱量的總和，W；

① 受到日曬的船舷、甲板及艙壁傳入熱量公式為

q1=k1·A1·(td-tn)

(5)

式中：q1為受到日曬的船舷、甲板及艙壁傳入熱量，W；k1為傳熱面上相應(yīng)隔熱結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A1為艙壁與外界傳熱面積，m2；td為艙外當(dāng)量空氣溫度，℃；tn為艙內(nèi)設(shè)計(jì)空氣溫度，℃。

根據(jù)GB/T 13409-1992，計(jì)算夏季送風(fēng)工況時(shí)，取艙室外當(dāng)量空氣溫度為50 ℃。

② 非空調(diào)艙室傳入熱量公式為

q2=k2·A2·Δt

(6)

式中：q2為非空調(diào)艙室傳入熱量，W；k2為非空調(diào)艙室與空調(diào)艙室相鄰隔壁的隔熱結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A2為相鄰隔艙壁傳熱表面積，m2；Δt為相鄰艙壁之間的溫差，℃。

根據(jù)GB/T 13409-1992，計(jì)算夏季送風(fēng)工況時(shí)，取走廊與空調(diào)艙室之間的溫差為2 ℃，空調(diào)機(jī)艙與帶空調(diào)艙室的溫差為5 ℃，盥洗室與帶空調(diào)艙室的溫差為2 ℃。

③ 遮陽艙壁、甲板傳入熱量：根據(jù)艙室實(shí)際布置位置,不存在遮陽艙壁和甲板傳熱,所以q3取值為0 W。

④ 玻璃艙傳入熱量：根據(jù)艙室實(shí)際布置位置，沒有舷窗，不存在玻璃艙傳熱，所以qg取值為0 W。

(2)人體發(fā)熱量

人體發(fā)熱量根據(jù)艙室內(nèi)人數(shù)確定，等于人員數(shù)乘以每個(gè)人體的發(fā)熱量。人體發(fā)熱量公式為

qp=qps+qpt

(7)

式中：qp為人體發(fā)熱量，W；qps為人體顯熱量，W；qpt為人體潛熱量，W。

根據(jù)GB/T 13409-1992，當(dāng)艙室內(nèi)溫度為27 ℃，艙室內(nèi)人員處于休息或輕度活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，人體發(fā)熱顯熱量為55 W，潛熱量為75 W。

經(jīng)分析，得到各邊界條件參數(shù)，具體設(shè)置如表1所示。

表1 邊界設(shè)置

續(xù)表1 邊界設(shè)置

采用穩(wěn)態(tài)模擬計(jì)算，選擇Realizablek-ε湍流模型，采用SIMPLE算法求解壓力和動(dòng)力方程，采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理近壁面區(qū)的流動(dòng)，壓力采用Standard離散格式，其他參數(shù)采用二階迎風(fēng)格式。收斂條件設(shè)置為能量殘差10-6，各向速度k-ε殘差設(shè)為10-3。

3 數(shù)值模擬結(jié)果及熱舒適性分析

3.1 計(jì)算工況

結(jié)合該艙室可能存在的送風(fēng)狀態(tài)，選擇夏季空調(diào)送風(fēng)溫度為16～19 ℃，各個(gè)布風(fēng)器送風(fēng)量為150～350 m3/h。夏季計(jì)算工況設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 夏季計(jì)算工況

3.2 計(jì)算結(jié)果與分析

由于人員在居住艙室內(nèi)的大部分活動(dòng)是睡眠，主要對(duì)艙室內(nèi)上/下床鋪氣流速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。根據(jù)艙內(nèi)床鋪(上/下鋪)的垂直高度，選取典型垂直剖面z=0.5 m(下鋪)和z=1.5 m(上鋪)進(jìn)行評(píng)估。

計(jì)算得到不同工況下艙室內(nèi)氣流速度分布、上/下鋪氣流速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。根據(jù)所有工況的計(jì)算結(jié)果，得出不同送風(fēng)溫度下的氣流速度、溫度、ADPI與送風(fēng)量之間的關(guān)系。

以下僅以送風(fēng)溫度為19 ℃、送風(fēng)量為300 m3/h的工況為例，給出該工況下艙室氣流速度、上/下鋪氣流速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)。

(1)艙室氣流速度分布。從圖3可以看出，整個(gè)艙室氣流速度低且分布較均勻，僅在進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口處的速度較大。

圖3 艙室內(nèi)氣流速度矢量圖

(2)上/下鋪氣流速度場(chǎng)分布。由圖4可以看出，艙室上/下鋪范圍內(nèi)大部分區(qū)域速度場(chǎng)分布較均勻，風(fēng)速低于0.1 m/s。此外，下鋪的空氣流速低且分布更均勻。

(3)上/下鋪溫度場(chǎng)分布。由圖5可以看出，艙室內(nèi)上/下鋪范圍內(nèi)大部分區(qū)域溫度分布較均勻，平均溫度為300 K(27 ℃)。右側(cè)靠近墻角處溫度稍偏高，主要是因該處靠近烘衣柜室，且離布風(fēng)器位置較遠(yuǎn)；左艙壁附近溫度稍偏高，主要是因該處靠近舷側(cè)，但整體溫度處于27 ℃附近。

針對(duì)不同送風(fēng)溫度和送風(fēng)量生成的20種送風(fēng)方案，通過計(jì)算得到各送風(fēng)方案下艙室內(nèi)氣流速度、艙內(nèi)溫度和ADPI。通過分析20種方案的結(jié)果，得到艙內(nèi)上/下鋪平均溫度及ADPI與送風(fēng)量之間的關(guān)系。

(1)送風(fēng)溫度為16 ℃。由圖6和圖7可以看出，當(dāng)送風(fēng)溫度為16 ℃時(shí)，從艙室舒適性指標(biāo)角度考慮，各布風(fēng)器的送風(fēng)量控制在150～225 m3/h范圍內(nèi)為宜。

圖4 艙室內(nèi)上/下鋪氣流速度場(chǎng)

圖5 艙室內(nèi)上/下鋪溫度場(chǎng)

圖 6 送風(fēng)溫度為16 ℃時(shí)艙內(nèi)上/下鋪平均溫度

圖7 送風(fēng)溫度為16 ℃時(shí)艙內(nèi)上/下鋪ADPI

(2)送風(fēng)溫度為17 ℃。由圖8和圖9可以看出，當(dāng)送風(fēng)溫度為17 ℃時(shí)，從艙室舒適性指標(biāo)角度考慮，各布風(fēng)器的送風(fēng)量控制在175～250 m3/h范圍內(nèi)為宜。

圖8 送風(fēng)溫度為17 ℃時(shí)艙內(nèi)上/下鋪平均溫度

圖9 送風(fēng)溫度為17 ℃時(shí)艙內(nèi)上/下鋪ADPI

(3)送風(fēng)溫度為18℃。由圖10和圖11可以看出，當(dāng)送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí)，從艙室舒適性指標(biāo)角度考慮，各布風(fēng)器的送風(fēng)量控制在200～275 m3/h范圍內(nèi)為宜。

圖10 送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí)艙內(nèi)上/下鋪平均溫度

圖11 送風(fēng)溫度為18 ℃時(shí)艙內(nèi)上/下鋪ADPI

(4)送風(fēng)溫度為19 ℃。由圖12和圖13可以看出，當(dāng)送風(fēng)溫度為19 ℃時(shí)，從艙室舒適性指標(biāo)角度考慮，各布風(fēng)器的送風(fēng)量控制在225～350 m3/h范圍內(nèi)為宜。

圖12 送風(fēng)溫度為19 ℃時(shí)艙內(nèi)上/下鋪溫度

圖 13 送風(fēng)溫度為19 ℃時(shí)艙內(nèi)上/下鋪ADPI

綜合20種工況的熱舒適性對(duì)比分析結(jié)果，得到不同送風(fēng)溫度下適宜的送風(fēng)量，但具體送風(fēng)量還需兼顧該艙室新鮮空氣的需求。

4 結(jié) 語

采用Fluent對(duì)夏季工況下某6人居住艙室的空氣環(huán)境舒適性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。對(duì)比分析了20種工況的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。研究結(jié)果表明：

(1)根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，通過ADPI評(píng)價(jià)居住艙室內(nèi)活動(dòng)區(qū)域的氣流組織情況，可得到不同送風(fēng)溫度下最佳送風(fēng)量范圍。

(2)根據(jù)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)數(shù)值仿真結(jié)果，可掌握詳細(xì)的流場(chǎng)分布情況，較為準(zhǔn)確地反映出艙室內(nèi)空氣流動(dòng)的細(xì)節(jié)。

(3)利用CFD方法可充分掌握艙室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)特性，進(jìn)而對(duì)各參數(shù)進(jìn)行合理有效的控制，更好地指導(dǎo)居住艙空調(diào)通風(fēng)設(shè)計(jì)。