某船典型空調(diào)住艙氣流組織的數(shù)值模擬

（海軍研究院，上海 200235）

趙元松，代 星

關(guān)鍵字：船舶；空氣調(diào)節(jié)；艙室；氣流組織

0 引言

傳統(tǒng)的氣流組織分析往往是憑借個(gè)人對(duì)物理現(xiàn)象的理解，按經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行單純的合成（即線性近似），實(shí)際上由于各參數(shù)之間的相互影響，氣流多為非線性現(xiàn)象。因此，單純的線性合成是不科學(xué)的，再加上室內(nèi)空氣流動(dòng)特征的復(fù)雜性和不確定性，純理論分析存在較大困難，而傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)由于受到試驗(yàn)條件的限制，得出的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)公式也有很大的局限性[1]。計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬法能夠較為方便地模擬不同工況的氣流組織情況，相比理論和試驗(yàn)方法具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用越來越廣泛[2]。

CFD計(jì)算機(jī)流體分析軟件可用于模擬分析具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)和傳熱問題，廣泛應(yīng)用于空間流場(chǎng)的數(shù)值模擬[3-7]，即對(duì)流分布、溫濕度、氣體濃度的計(jì)算。Fluent 計(jì)算軟件提供了完全的網(wǎng)格靈活性，用戶可以使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，對(duì)相對(duì)復(fù)雜的集合結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成非常有效，可以生成網(wǎng)格包括二維的三角形和四邊形網(wǎng)格，三維的四面體、六面體及混合網(wǎng)格，甚至可以用混合型非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格[8]。

空調(diào)艦員住艙是艦員生活、休息的場(chǎng)所，對(duì)溫度、風(fēng)速等舒適性要求較高。本文對(duì)某船典型空調(diào)住艙氣流組織開展數(shù)值模擬分析，研究空調(diào)住艙艙室空間結(jié)構(gòu)、氣流組織機(jī)理及特點(diǎn)，利用CFD計(jì)算軟件，研究建立典型空調(diào)住艙數(shù)值仿真模型，開展艙室氣流組織的數(shù)值仿真分析，研究得到艙室溫度分布、氣流速度分布、以及空氣置換情況，為艙室氣流組織優(yōu)化提供參考。

1 分析模型

1.1 物理模型

艙室氣流組織的任務(wù)在于使經(jīng)過各種處理的空氣合理地分布到被調(diào)節(jié)的艙室，在與周圍空氣熱、質(zhì)交換的同時(shí)，保持受控區(qū)域內(nèi)的空氣溫度、濕度、清潔度和風(fēng)速處于預(yù)定的限度，主要與送風(fēng)口的形式、數(shù)量、位置，回風(fēng)口的位置，送風(fēng)參數(shù)等有關(guān)。住艙空調(diào)通風(fēng)氣流組織一般采用上送下回的頂式送風(fēng)方式，空調(diào)通風(fēng)由布置在天花板上的布風(fēng)器向艙內(nèi)送入冷風(fēng)（或熱風(fēng)），新風(fēng)在艙室內(nèi)擴(kuò)散流動(dòng)，與艙室空氣進(jìn)行熱交換和混合置換，最后由艙門中的排氣格柵排向艦船內(nèi)部通道。

針對(duì)多人住艙開展仿真分析，物理模型如圖1所示，采用頂式布風(fēng)器送風(fēng)，回風(fēng)口為房門下側(cè)的通風(fēng)格柵和壁板上的排氣扇，內(nèi)部主要物品包括床鋪、衣柜等，艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在仿真建模中盡量完全反應(yīng)艙室內(nèi)結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)，但對(duì)流動(dòng)影響不大的區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，將人體簡(jiǎn)化為一個(gè)長(zhǎng)方體，回風(fēng)格柵簡(jiǎn)化為矩形開口（仿真計(jì)算添加流動(dòng)損失）。

圖1 物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

k-ε兩方程模型是目前應(yīng)用比較廣的一種湍流模型，在暖通空調(diào)領(lǐng)域，采用k-ε雙方程湍流模型優(yōu)于其它模型。k-ε兩方程模型是一個(gè)半經(jīng)驗(yàn)的公式，但其形式簡(jiǎn)單、計(jì)算速度適中、計(jì)算精確度較好，在工程上又得到了普遍的驗(yàn)證。k-ε模型借助混合長(zhǎng)度模型關(guān)于湍流粘度的假設(shè)建立湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε之間的關(guān)系

1.3 邊界條件

空調(diào)通風(fēng)分析條件主要包括送風(fēng)參數(shù)、出風(fēng)條件、艙內(nèi)發(fā)熱情況、艙內(nèi)物品對(duì)氣流的引導(dǎo)和阻礙情況等，分別對(duì)應(yīng)與仿真分析的空氣進(jìn)口、空氣出口、熱源、壁面4個(gè)邊界條件設(shè)置。

1）空氣進(jìn)口。艙室空調(diào)通風(fēng)主要控制進(jìn)氣風(fēng)量和進(jìn)氣溫度，符合速度進(jìn)口特征，仿真空氣進(jìn)口采用速度進(jìn)口（Velocity-inlet），根據(jù)艙室空調(diào)通風(fēng)情況，進(jìn)氣氣流速度一般為5 m/s，進(jìn)氣溫度為20℃。

2）空氣出口。艙室空氣出口主要通過門下側(cè)的排氣格柵和排氣扇排入走廊過道，氣流通過排氣格柵，有一定的流動(dòng)阻力，符合outlet-vent 邊界特征，故排氣格柵采用outlet-vent 邊界，排氣扇采用排氣扇出口（Exhaust fan）。

3）熱源。艙室內(nèi)主要熱源來自人體散熱，人體正常情況下發(fā)熱功率約為65 W/人，散熱主要通過人體表面空氣對(duì)流換熱傳遞，對(duì)流換熱主要由換熱面積和熱流密度決定，故將體熱源等效轉(zhuǎn)換為面熱源，表面熱流密度約為42.76 W/m2。

4）壁面。壁面為氣流無法通風(fēng)的邊界，對(duì)氣流起導(dǎo)向和阻礙作用，墻、床、地板、辦公桌、衣柜等與氣流接觸的表面符合壁面特征，將這些表面設(shè)置為壁面（wall）。

1.4 網(wǎng)格劃分

模型網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，在送風(fēng)口、回風(fēng)口附近的流體速度梯度較大，對(duì)送風(fēng)口、回風(fēng)口分別進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。

2 氣流組織數(shù)值仿真

2.1 仿真計(jì)算

利用k-ε方程求解，對(duì)計(jì)算模型作如下假設(shè)：

1）室內(nèi)空氣為不可壓縮而且符合Boussinesq假設(shè)，即流體密度變化僅對(duì)浮升力產(chǎn)生影響。

2）流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)湍流。

3）忽略固體壁面間的熱輻射，室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。

4）流場(chǎng)具有高紊流Re數(shù)，流體的湍流粘性具有各向同性。

5）氣流為低速不可壓縮流動(dòng)，可忽略由流體粘性力作功所引起的耗散熱。

仿真計(jì)算具體設(shè)置如下：

1）湍流模型。k-ε三維湍流模型。

2）離散格式。壓力為一階迎風(fēng)格式；溫度為二階迎風(fēng)格式；動(dòng)量為二階迎格式。

3）亞松弛因子。壓力為0.6；溫度為1；動(dòng)量為0.7；k為0.6；ε為0.6。

4）收斂準(zhǔn)則。流動(dòng)為1×10?3；能量為1×10?6。

2.2 仿真結(jié)果分析

進(jìn)氣風(fēng)速為5 m/s，進(jìn)氣溫度為20℃（293 K），通過仿真計(jì)算，得到通風(fēng)粒子流動(dòng)軌跡，以及流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況，見圖3。從通風(fēng)粒子流動(dòng)軌跡可以看出，布風(fēng)器送入的空氣在艙室內(nèi)流動(dòng)受到氣流相互作用、艙壁、床等因素影響，在艙室內(nèi)形成復(fù)雜的分布狀態(tài)，在靠近舷壁側(cè)的鋪位之間的過道中，氣流存在多次回流，送入的新風(fēng)與艙內(nèi)氣流混合較充分；在2個(gè)雙人床之間的過道上，左右兩側(cè)布風(fēng)器送出的氣流相互作用，使左側(cè)布風(fēng)器向右側(cè)流動(dòng)的氣流方向發(fā)生改變，流向舷壁側(cè)；同時(shí)右側(cè)布風(fēng)器送風(fēng)的氣流變向，由向左側(cè)流動(dòng)轉(zhuǎn)向艙門側(cè)流動(dòng)，直至通過排氣扇和排氣格柵排出艙室。從空氣置換角度來說，該氣流組織方式左側(cè)2個(gè)布風(fēng)器的送風(fēng)置換了艙室內(nèi)大部分空間的空氣，而右側(cè)2個(gè)布風(fēng)器主要置換小部分空間的空氣，甚至有部分新風(fēng)從房間頂部直接流向排氣扇，未與艙室內(nèi)部的空氣充分混合，既不能通過熱交換充分發(fā)揮溫度調(diào)節(jié)作用，也不能置換艙室內(nèi)的空氣。

圖2 艙室通風(fēng)粒子流動(dòng)軌跡

從圖3和圖4這個(gè)截面上的氣流分布矢量圖可以看出，來自送風(fēng)管的空氣通過布風(fēng)器進(jìn)入艙室內(nèi)，布風(fēng)器出口處氣流主要在艙室上部流動(dòng)，經(jīng)過不同布風(fēng)器氣流的相互作用以及艙壁的阻礙作用，氣流向下沉，進(jìn)入人員休息和活動(dòng)區(qū)。垂直方向氣流速度變化較大，但氣流速度梯度較大的位置主要集中在艙室上部，各床鋪位置和過道上的氣流比較均勻，主要在外側(cè)3層鋪位下面兩層之間的流速較小，流速均不超過0.3 m/s。

圖3 通過排氣扇垂直截面氣流分布矢量圖

圖4 通過排氣格柵垂直截面氣流分布矢量圖

圖5和圖6分別給出了2個(gè)垂直截面上的溫度分布云圖?？傮w上靠近外側(cè)的區(qū)域溫度高于內(nèi)側(cè)區(qū)域，分析原因主要是布風(fēng)器布置較靠近房間中部，外側(cè)換熱效果較差，特別外側(cè)三層鋪位的下面2層之間的流速較小，對(duì)流換熱效果較差，使最下層鋪位溫度相對(duì)較高，但主要溫差在2℃范圍內(nèi)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。布風(fēng)器下部形成的回流，將人體散發(fā)出的熱量向上輸送，起到了較好降溫效果。

圖5 通過排氣扇垂直截面溫度分布云圖

圖6 通過排氣格柵垂直截面溫度分布云圖

圖7和圖8分別給出了2個(gè)水平截面上的氣流速度矢量圖。從圖7和圖8中可以看出，在房間中下部，上下鋪位之間的氣流速度較小，而鋪位之間的過道處氣流速度相對(duì)較大，主要由于送風(fēng)氣流在艙室內(nèi)主要是由上向下流動(dòng)，床鋪對(duì)氣流的阻礙作用使氣流主要集中在過道中。

圖7 鋪位之間水平方向氣流分布云圖

圖8 鋪位上方水平方向溫度分布云圖

圖9 和圖10 分別給出了2 個(gè)水平截面上的溫 度分布云圖。

圖9 鋪位之間水平方向溫度分布云圖

圖10 鋪位上方水平方向溫度分布云圖

其中Y＝0.85 m 的水平截面位于第一層鋪位與第二層鋪位之間，Y＝1.9 m 水平截面位于最上層鋪位與房頂之間。從圖8中可以看出，人體的熱量使鋪位周圍的空氣溫度有所升高，外層鋪位及過道的溫度高于內(nèi)側(cè)。不同高度的鋪位，對(duì)應(yīng)的溫度有所區(qū)別，上層鋪位溫度比下層的低?？傮w上人員休息和活動(dòng)區(qū)域的溫差在2℃以內(nèi)。

3 結(jié)論

本文采用CFD方法對(duì)某船典型人員空調(diào)住艙空調(diào)通風(fēng)氣流組織進(jìn)行了數(shù)值仿真模擬，建立典型艙室數(shù)值仿真模型，研究得到艙室內(nèi)部氣流流場(chǎng)分布和溫度場(chǎng)分布情況，分析了艙室氣流組織，可得出如下結(jié)論：

1）艙室內(nèi)氣流分布和循環(huán)未見局部死角，布風(fēng)器送入的新風(fēng)大部分排出艙室前與艙內(nèi)氣流混合較充分，基本符合空調(diào)通風(fēng)要求，但排氣扇靠近布風(fēng)器射流區(qū)，有部分新風(fēng)從房間頂部直接流向排氣扇，未與艙室內(nèi)部的空氣充分混合，既不能通過熱交換充分發(fā)揮溫度調(diào)節(jié)作用，也不能置換艙室內(nèi)的空氣，排氣扇位置應(yīng)適當(dāng)調(diào)整，避開射流區(qū)。

2）垂直方向氣流速度變化較大，但氣流速度梯度較大的位置主要集中在艙室上部，各床鋪位置和過道上的氣流比較均勻，主要在外側(cè)三層鋪位下面兩層之間的流速較小，流速均不超過0.3 m/s；水平方向上，在房間中下部，上下鋪位之間的氣流速度較小，而鋪位之間的過道處氣流速度相對(duì)較大。

3）靠近舷側(cè)的區(qū)域溫度高于內(nèi)側(cè)區(qū)域，分析原因主要是布風(fēng)器布置較靠近房間中部，外側(cè)換熱效果較差，特別外側(cè)3層鋪位的下面兩層之間的流速較小，對(duì)流換熱效果較差，使最下層鋪位溫度相對(duì)較高；不同高度的鋪位，對(duì)應(yīng)的溫度有所區(qū)別，上層鋪位溫度比下層的低。