某郵輪餐廳空調(diào)系統(tǒng)CFD仿真設(shè)計(jì)

謝旭晨，郭勇，葉杰，于學(xué)超

(上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

優(yōu)化艙室空調(diào)系統(tǒng)，獲得更優(yōu)的氣流組織，對(duì)于改善郵輪艙室熱舒適性及室內(nèi)空氣品質(zhì)具有重要意義。對(duì)于艙室氣流環(huán)境，常用的研究方法包括CFD仿真、實(shí)驗(yàn)法、理論分析法等，其中CFD仿真不受實(shí)際條件限制，研究效率較高。某郵輪餐廳原始送風(fēng)方式為側(cè)向送風(fēng)，為進(jìn)一步提升乘客用餐舒適度，考慮采用全孔板送風(fēng)方式。為此，在CFD軟件中建立餐廳模型，分別模擬兩種方案運(yùn)行效果，分析溫度、風(fēng)速、空氣齡等參數(shù)，從吹風(fēng)感、熱舒適性、空氣潔凈度三個(gè)角度驗(yàn)證方案的可行性。

1 模型建立

1.1 餐廳數(shù)學(xué)模型

選取某郵輪餐廳，依據(jù)實(shí)際布置建立CFD幾何模型見圖1。

圖1 餐廳幾何模型

軸正向?yàn)榇挤较颉Ｔ摬蛷d位于甲板中央位置，長(zhǎng)、寬、高分別為10、6、3.2 m，四周墻壁及地板與外界溫差趨近于零，可看作絕熱邊界條件。其中艏艉兩側(cè)墻壁處分別貼墻設(shè)置6張單人餐桌，餐廳中部均勻布置4張6人桌，全餐廳可容納36人同時(shí)用餐。

夏季工況顯熱冷負(fù)荷計(jì)算公式如下。

∑=+++

(1)

式中：∑為顯熱冷負(fù)荷；為艙室四周圍護(hù)結(jié)構(gòu)及地板熱傳導(dǎo)傳入熱量；為人體散熱；為來自天花板的燈光及傳熱負(fù)荷；為其他散熱。取人體顯熱散熱為70 W/人，來自天花板的傳熱及燈光負(fù)荷為20 W/m，食物散熱單人桌取50 W每桌，六人桌取200 W每桌。計(jì)算可知餐廳顯熱冷負(fù)荷∑為5 120 W。

1.2 評(píng)價(jià)方法

1.2.1 熱舒適性評(píng)價(jià)

對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)劣的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要可以歸結(jié)為3方面：熱舒適性、吹風(fēng)感、空氣潔凈度。其中熱舒適性表征了人對(duì)周圍熱環(huán)境所做的主觀滿意度評(píng)價(jià)，衡量標(biāo)準(zhǔn)為預(yù)測(cè)平均熱感覺指數(shù)(predicted mean vote,PMV)和預(yù)測(cè)不滿意者百分?jǐn)?shù)(predicted percentage dissatisfied，PPD)。PMV根據(jù)人體熱平衡的基本方程式及心理生理學(xué)主觀熱感覺的等級(jí)為出發(fā)點(diǎn)，考慮人體熱舒適感的諸多有關(guān)因素的全面評(píng)價(jià)指標(biāo)，將人體熱感覺從冷到熱依次劃分為冷(-3)、涼(-2)、微涼(-1)、適中(0)、微暖(+1)、暖(+2)、熱(+3)7個(gè)等級(jí),依照GB/T 18049—2017《熱環(huán)境的人類工效學(xué) 通過計(jì)算PMV和PPD指數(shù)與局部熱舒適準(zhǔn)則對(duì)熱舒適進(jìn)行分析測(cè)定與解釋》,范圍宜在[-1,1]之間；PPD指數(shù)是預(yù)計(jì)處于熱環(huán)境中的群體對(duì)于熱環(huán)境不滿意的投票平均值，可以預(yù)計(jì)群體中感覺過暖(≥+2)或過涼(≤-2)的人所占的百分比，GB/T 18049-2017中提出宜≤27%。

1.2.2 氣流速度評(píng)價(jià)

依據(jù)ISO7730,吹風(fēng)感的衡量標(biāo)準(zhǔn)為吹風(fēng)感指數(shù)(draught rate，DR)，代表由于氣流帶走人體熱量所導(dǎo)致的不滿意人群的百分?jǐn)?shù)。

=(34-)(-005)062·

(037··+314)

(2)

式中:為局部平均空氣溫度，℃；為局部平均空氣流速，若≤0.0 5 m/s，則取=0.05 m/s；為局部紊流強(qiáng)度，即局部空氣流速的標(biāo)準(zhǔn)差與局部平均空氣流速之比，可取0.4。

1.2.3 空氣齡評(píng)價(jià)

空氣品質(zhì)是影響船舶艙室衛(wèi)生的最重要因數(shù)，其中空氣齡(age of air)是評(píng)價(jià)通風(fēng)換氣的重要指標(biāo)，是影響空氣品質(zhì)的重要環(huán)節(jié)，較短的空氣齡可以有效保證污染物擴(kuò)散、提高空氣的清新度，是提高乘客航行體驗(yàn)和舒適感的有效助力。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 全孔板送風(fēng)

采用全孔板送風(fēng)。依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)，出口風(fēng)速，可按下式進(jìn)行估算。

(3)

式中:為孔口直徑取0.003 m；為空氣的運(yùn)動(dòng)黏度，標(biāo)準(zhǔn)空氣為15.06·10m/s。

為保證乘客用餐舒適度，該餐廳設(shè)定環(huán)境溫度為24 ℃，送風(fēng)溫差取4 ℃。根據(jù)熱負(fù)荷、送風(fēng)溫差計(jì)算得到送風(fēng)量(m/h),結(jié)合送風(fēng)速度計(jì)算孔口總面積和凈孔面積比。

(4)

(5)

式中：為孔口流量系數(shù)，取078；為孔板面積，m。

孔口中心距(m):

(6)

對(duì)于邊長(zhǎng)為·的孔板，其孔口總數(shù)為

(7)

式中:、分別為孔板長(zhǎng)度、寬度方向的孔口數(shù)。

由上述計(jì)算得到孔口總面積0.168 m，凈孔面積比2.8%，孔口中心距0.05 m。

在回風(fēng)口布置方面，選擇地板條縫回風(fēng)，沿長(zhǎng)度方向布置6條條縫，縫尺寸為6 m×0.04 m，間隔1.4 m；沿寬度方向布置3條條縫，每條縫尺寸為10 m×0.04 m，間隔2.5 m。

如果按照實(shí)際情況對(duì)每個(gè)孔口建立模型，網(wǎng)格數(shù)會(huì)過于龐大，超出計(jì)算機(jī)的運(yùn)算性能極限。因此，采用布風(fēng)器簡(jiǎn)化替代模型，在CFD軟件中采用與全孔板送風(fēng)方案總送風(fēng)面積、質(zhì)量流量、動(dòng)量相同的虛擬布風(fēng)器來實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果,見圖2。

圖2 全孔板送風(fēng)風(fēng)口布置

2.2 側(cè)向送風(fēng)

該餐廳原方案采用百葉風(fēng)口進(jìn)行側(cè)向送風(fēng)，包含單/雙側(cè)上送下回、單/雙側(cè)上送上回等多種方式。送風(fēng)口最好貼頂布置，以獲得貼附氣流，送冷風(fēng)時(shí)可采取水平送出。

依據(jù)總送風(fēng)量和房間尺寸查表取風(fēng)口尺寸為400 mm×250 mm，風(fēng)口面積為0.1 m，根據(jù)風(fēng)量應(yīng)選取風(fēng)口數(shù)為5。送風(fēng)口應(yīng)按房間長(zhǎng)度方向布置在一側(cè)墻頂部，依照頂部中心展開布置。由于房間進(jìn)深較長(zhǎng)為10 m，故選擇雙側(cè)對(duì)送。將回風(fēng)口布置在另一側(cè)墻下方，回風(fēng)口尺寸為2 000 mm×250 mm，見圖3。

圖3 側(cè)向送風(fēng)風(fēng)口布置

3 CFD仿真分析

對(duì)2種方案模擬結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，將全孔板送風(fēng)記為方案1，側(cè)向送風(fēng)記為方案2。在分析各項(xiàng)參數(shù)時(shí)，分別選取截面=0.5 m(腿部高度)、和=-1.5 m(人體縱截面)處。

3.1 熱舒適性仿真分析

模擬結(jié)果顯示，相同送風(fēng)量情況下，方案1室內(nèi)均溫為23.8 ℃，方案2室內(nèi)均溫為24.1 ℃。方案1的送風(fēng)混合效果較為明顯，故制冷效果要強(qiáng)于方案2，室內(nèi)均溫略低；但人體附近溫度兩方案近似，均為24 ℃。從圖4可見，在方案2中右起第二位乘客的背部溫度較高。

圖4 溫度云圖(Y=-1.5 m)

模擬結(jié)果顯示，從橫截面看，方案1在=0.5 m處平均值為-07，平均值為188；=1.3 m處平均值為-07，平均值為178；方案2在=0.5 m處平均值為-09，平均值為23；=1.3 m處平均值為-08，平均值為19。

從縱向截面來看，在方案2中右起第二位乘客的背部溫度較高引起了熱感上的不適(大于1)，而方案1中人體周圍均在[-0.5,0.5]的區(qū)間內(nèi)，無明顯冷熱不適區(qū)域。這說明方案1中的氣流組織分布更為均勻合理。

總體而言雖然方案1室內(nèi)均溫相對(duì)略低，但方案2中人員相對(duì)冷感更強(qiáng)，不滿意度更高。兩方案值均在[-1,1]的范圍內(nèi)，均小于27，符合GB/T 18049-2017中的要求。

圖5 PMV圖(Y=-1.5 m)

3.2 氣流速度仿真分析

從式(2)可知，當(dāng)局部空氣溫度近似、紊流強(qiáng)度系數(shù)為常數(shù)時(shí)，吹風(fēng)感只和空氣流速成正相關(guān)，可通過流速判斷吹風(fēng)感。

模擬結(jié)果，方案1在=1.3 m處平均風(fēng)速為0.133，在=0.5 m處平均風(fēng)速為0.121；方案2在=1.3 m處平均風(fēng)速為0.174，在=0.5 m處平均風(fēng)速為0.225。對(duì)比速度云圖發(fā)現(xiàn)，方案2中高風(fēng)速區(qū)域大多鄰近人體，由于回風(fēng)口集中在另一側(cè)墻下部，處于房間中部的部分人員頭部以及近一半人員腿部風(fēng)速風(fēng)速均大于0.3，而方案1中人體附近風(fēng)速基本在0.15以下。這也解釋了為什么雖然方案1室內(nèi)均溫相對(duì)略低，但方案2中人員相對(duì)冷感更強(qiáng)。高風(fēng)速導(dǎo)致了人體冷感的增強(qiáng)。

方案2在左上方至房間中央處風(fēng)速較高，見圖6。這是因?yàn)樗惋L(fēng)口布置在左側(cè)墻壁上方；結(jié)合相同位置的云圖可以發(fā)現(xiàn)，高風(fēng)速導(dǎo)致這塊區(qū)域的滿意度很差，>26，<-1。

圖6 速度云圖(Y=-1.5 m)

3.3 空氣齡仿真分析

兩方案中人頭部處截面的空氣齡見圖7。模擬結(jié)果顯示方案1中平均空氣齡為155 s(相當(dāng)于約每2.5 min置換1次)，方案2中平均空氣齡為203 s(相當(dāng)于約每3.5 min置換1次)。

圖7 空氣齡云圖(Z=1.3 m)

從云圖中可以發(fā)現(xiàn)，方案1房間中部空氣齡相對(duì)較低為125 s左右，而這也是人員較為密集的區(qū)域，左上角和右下角小部分區(qū)域空氣齡較高為187 s以上，但這部分區(qū)域人員分布較少對(duì)實(shí)際衛(wèi)生情況影響不大；方案2同樣中部空氣齡相對(duì)較低，外側(cè)空氣齡較高為200 s以上。顯然由于送風(fēng)口、回風(fēng)口均勻的分布在空調(diào)房間內(nèi)，方案1在空氣潔凈度方面具有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

全孔板送風(fēng)方案的空氣齡相較側(cè)向送風(fēng)方案減少了31%、相較側(cè)向送風(fēng)方案減少了約18%、風(fēng)速相較側(cè)向送風(fēng)方案減少了約24%。全孔板送風(fēng)方案由于送回風(fēng)口均勻的分布在空調(diào)房間內(nèi)，加深了送風(fēng)氣流與室內(nèi)氣流混合程度，使得室內(nèi)氣流的置換更為順暢；同時(shí)由于全孔板送風(fēng)方案的氣流組織更為均勻，人體表附近風(fēng)速更低，在空氣潔凈度、熱舒適度、吹風(fēng)感等方面都比側(cè)向送風(fēng)方案達(dá)到了更高的舒適度水平。全孔板送風(fēng)在性能上具有優(yōu)勢(shì)，但全孔板天花板制造成本較高，可考慮采用局部孔板方案。