2019, Vol. 41
舰船的空间相对封闭，其舱室的热舒适性很大程度上依靠空调系统。随着对功效学以及相关人因工程的研究越来越深入，舰船舱室内的空调效果重要性正受到更多重视。权崇仁等[1]对舰船典型舱室的布风器气流组织进行了数值模拟。郭宝坤等[2]采用了试验与模拟的方法对船用布风器在冬季的射流流场进行了研究。刘亮等[3]针对船舶会议室利用数值仿真软件模拟了不同布风器对室内气流组织的影响。
舰船住舱一般无吊顶，相对于民用船舶，其空调气流服务工况更为不利，特别是冬季热空气上浮，容易滞留在住舱的上部，造成上铺空间温度较高，而下部空间温度较低，整个住舱在高度上存在较大的垂直温差。本文采用计算流体力学模拟软件，对比分析不同布风器对室内气流组织的影响。
1 舰船典型住舱概述舰船普通住舱基本采用布风器进行空调送风，由于舱室面积以及相关空间净高的限制，每个住舱一般只能在室内空间的中部布置一个布风装置。因此，该布风器是否能够具备较为均匀的送风性能将会对舱室内的风速、温度等空气环境参数有着决定性的影响。本文首先针对对一般圆盘型布风器进行模拟，并在此基础上提出开有斜45°孔槽的布风器形式，进一步提升布风器均匀送风的性能，避免舱室中出现冷热不均，风速过高或者出现漩涡死区等不利于使用人员身心健康的空气环境。布风器如图1所示。
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图 1 圆盘型布风器 Fig. 1 Disc-shaped wind distributor |
模拟采用计算流体力学模拟软件，通过有限体积法数值求解计算域内的各类物理参数。本文涉及的计算参数主要包括风速，温度，压力等。因此涉及到三类控制方程，分别是连续性方程、动量方程和能量方程。其中，质量守恒方程如下式：
| $ \frac{\partial \rho }{\partial t}+\frac{\partial \left( \rho {{u}_{i}} \right)}{\partial {{x}_{i}}}=0 {\text{。}} $ | (1) |
式中：ρ为流体密度；ui为x，y，z方向流体速度分量；xi指直角坐标系中的x，y，z三个方向；t为时间。
动量守恒方程如下式：
| $ \frac{\partial \left( \rho {{u}_{i}} \right)}{\partial t}+{\rm {div}}\left( \rho {{u}_{i}}{{u}_{i}} \right)=\frac{\partial p}{\partial {{x}_{i}}}+{\rm {div}}\left( \mu graf{{u}_{i}} \right)+{{S}_{i}} {\text{。}} $ | (2) |
式中：p为流体压力；μ为流体动力粘性系数；Su为外部源项。
能量守恒方程如下式：
| $ \frac{\partial \left( \rho T \right)}{\partial t}+{\rm {div}}\left( \rho {{u}_{i}}T \right)={\rm {div}}\left( \frac{k}{Cp}{\rm {grad}}T \right)+\frac{{{S}_{T}}}{Cp} {\text{。}} $ | (3) |
式中：T为流体温度；k为传热系数；Cp为流体比热容；ST为外部热源。
3 数值模拟边界条件由于舰船上的舱室基本都没有外窗，属于内部空间，因此普通住舱的得热边界条件主要是舱室内部的灯光得热、人员得热。典型的舰船普通舱室长度为3.05 m，宽度为3.2 m，高度为2.5 m，其布置如图2所示。
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图 2 普通住舱舱室布置 Fig. 2 Layout of a living cabin |
该住舱内共居住4人，夏季按照每人108 W全热发热量，人员散热共432 W，照明负荷按照10 W/m2，共计97.6 W，该舱室体积为24.4 m3，因此夏季舱室内的体热源等效强度为21.7 W/m3。冬季的体热源强度按照21.7 W/m3估算。
该舱室设计空调送风量为250 m3/h，舱室的体积为24.4 m3，因此，换气次数为10.2次/h。根据舰船上的相关要求，舱室内一般没有吊顶，因此在建模时不再设置天花吊顶。
布风器的静压箱长度、宽度、高度尺寸分别为0.45 m×0.45 m×0.16 m，侧面连接的送风管管径为0.12 m，其中风速为6.14 m/s，静压箱下部的送风管管径为0.16 m，高度为0.05 m，其中风速为3.45 m/s。最下方为2块相距0.02 m，直径都为0.25 m的上、下送风挡板。布风器的总高度为0.24 m，其下送风挡板布置于距离舱室地面1.95 m处。另外，该房间的回风口设置在房间的门上，根据0.5的开孔率，其等效尺寸为0.4 m×0.15 m，底边距离舱室地面为0.15 m，回风口上的风速为1.16 m/s，未超过限值。当下挡板上没有开孔槽时，空调送风风量完全经过上、下挡板之间的缝隙送风，其平均风速为4.42 m/s。
根据典型舱室几何尺寸特征，室内发热量情况，首先利用CAD软件进行建模。本次模拟主要针对室内环境，因此只针对会对室内空调气流组织起到较大影响的床板、立柜等进行建模。另外，根据尺寸对布风器进行了建模，包括静压箱、送风管以及上下挡板等。上部空间内的各类管线由于和气流组织关系不大，因此不予建模。需注意的是，连接静压箱的风管也无需建模，在模拟时可将风速入口直接设置在静压箱下部的风管内即可。
完成几何建模后，导入网格划分软件进行划分网格。需要注意的是，布风器周边的网格需要加密，从而保证仿真计算能够有效刻画速度、温度梯度较大的出风区域，网格模型如图3所示。
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图 3 舰船住舱几何建模 Fig. 3 Geometric model of a living cabin |
模拟中夏季空调设计干球温度设置为27 ℃，取送风温差为8 ℃，送风温度设置为19 ℃。冬季空调设计干球温度设置为20 ℃，取送风温差为8 ℃，冬季送风温度设置为27 ℃。在CFD软件中将送风口设置为velocity-inlet边界条件，风速3.45 m/s，夏季风温292 K，冬季风温300 K，回风口设置为outflow边界条件，其他舱壁、家具都设置成绝热壁面，整个计算域设置成源项source term，夏季和冬季都设定恒定发热量为21.7 W/m3。
考虑到舰船上没有吊顶，在冬季时，热空气没有像一般存在吊顶的船舶舱室那样有着贴附射流效应，因此考虑在布风器的下挡板上开设圆形缝，使得送风的效果能够更为均匀，无孔槽和有孔槽两类不同布风器的几何特征如图4所示。
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图 4 两类布风器模型 Fig. 4 Two kinds of wind distributors |
有孔槽的布风器设置3圈圆形的斜孔槽，内部2圈在上部直径160 mm送风管的范围内，由于其60°的倾角以及较小的周长，使得其透过的风量可以较小，而最外部的1圈与射流的方向一致，可以有效增大透过其的风量，使得整个布风器的送风量能够较为均匀地布置在侧向出风和下部出风2个方向内，从而使得室内的温度分布能够更为合理。
4 模拟结果与分析按照舰船相关规范中对于空调效果的要求，舰船住舱夏季空调设计干球温度应达到27 ℃，控制精度为±2 ℃，即室内温度范围为25 ℃～29 ℃，室内风速不应超过0.3 m/s。冬季空调设计干球温度应达到20 ℃，控制精度为±2 ℃，即室内温度范围为18 ℃～22 ℃，室内风速不应超过0.3 m/s。
经过迭代计算，结果收敛后，CFD后处理可给出舱室内的温度、风速等物理参数分布，分别针对不同位置给出相应的参数分布图，以此来分析开孔槽的布风器方案对于室内均匀送风的作用。
典型4人居住舱室各类冬季和夏季的CFD模拟结果主要包括空气干球温度、室内风速等。本文取住舱与床铺垂直的方向为X轴（图表中称为开间方向），与床铺平行的方向为Y轴（图表中称为进深方向），高度方向为Z轴。对于空调效果来说，离地1.5 m高度，即第2层床铺上方，同时也是人站立时的高度的区域，其温度场、风速场以及沿着舱室开间和进深方向中心剖面的温度场和速度场都是能够表征室内气流组织效果的重要位置。因此，在CFD后处理中针对上述的空间剖面位置以及其温度场和速度场给出了相关的云图。
冬季住舱开间方向中心位置温度分布、冬季住舱离地1.5 m处温度分布如图5和图6所示。
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图 5 冬季住舱开间方向中心位置温度分布 Fig. 5 Temperature profile in the centre of a living cabin in winter |
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图 6 冬季住舱离地1.5 m处温度分布 Fig. 6 Temperature profile of the section in 1.5m from the ground of a living cabin in winter |
可以看出，有孔槽的布风器使得上铺区域的温度有所降低，而下铺高于18 ℃的区域则有所扩展，在距离地面1.5 m处的平面中，有孔槽的布风器方案的平均温度也明显提高。
冬季住舱开间方向中心位置风速分布和冬季住舱离地1.5 m处风速分布如图7和图8所示。
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图 7 冬季住舱开间方向中心位置风速分布 Fig. 7 Velocity profile in the centre of a living cabin in winter |
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图 8 冬季住舱离地1.5 m处风速分布 Fig. 8 Velocity profile of the section in 1.5m from the ground of a living cabin in |
可以看出，在冬季，两类布风器方案在剖面和离地1.5 m平面处其风速基本都不超过0.3 m/s的限值。模拟中夏季住舱开间方向中心位置温度分布、夏季住舱离地1.5 m处温度分布如图9和图10所示。
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图 9 夏季住舱开间方向中心位置温度分布 Fig. 9 Temperature profile in the centre of a living cabin in summer |
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图 10 夏季住舱离地1.5 m处温度分布 Fig. 10 Temperature profile of the section in 1.5m from the ground of a living cabin in summer |
可以看出，在夏季，2种布风器方案都能够满足室内区域温度不高于27 ℃的限值。模拟中夏季住舱开间方向中心位置风速分布、夏季住舱离地1.5 m处风速分布如图11和图12所示。
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图 11 夏季住舱开间方向中心位置风速分布 Fig. 11 Velocity profile in the centre of a living cabin in summer |
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图 12 夏季住舱离地1.5 m处风速分布 Fig. 12 Velocity profile of the section in 1.5m from the ground of a living cabin in summer |
可以看出，室内大部分区域的风速都在0.3 m/s以下，只有在风口正下方，由于冷空气下降的关系造成风速较高。
5 结 语根据上述模拟结果，可以得到以下有关孔槽均匀送风布风器在住舱送风效果方面的结论。
1）对于没有吊顶的舰船住舱来说，在冬季工况下，确实存在着从布风器送出的热风由于密度较小往舱室顶部流动的情况，且这种热空气上浮的情况较之一般有吊顶的房间更为严重。在布风器下档板上开槽后，较冷的下部2个床位低于18 ℃的区域明显减小，主要由于部分热风能够通过下挡板的孔槽送风较低的舱室区域；
2）冬季工况下，由于上层床位区域离布风器距离近，且热空气上浮在上部区域，并依附于舱室顶部、舱壁以及上部床板形成环流，因此上层床位较为温暖。而下层床位由于受到上部床位的影响，温度较低，但在开孔槽挡板的布风器方案下基本能够达到18 ℃的合理温度范围内；
3）在冬季工况下，开孔槽挡板方案在离地0.7 m和离地1.5 m处的床铺上方，风速都小于0.3 m/s，满足规范的要求，而未开孔槽的方案在离地1.5 m处的床铺上方有部分区域风速高于0.3 m/s。
4）在夏季工况下，开孔槽和不开孔槽两种方案在离地0.7 m和离地1.5 m处的床铺上方都能够达到27 ℃的设计温度，且分布较为均匀。而在风速方面，2种方案都有超过0.3 m/s风速的情况存在，不过基本集中在布风器正下方人员不常停留的区域。
| [1] |
权崇仁, 王洋, 于立庆, 等. 舰船典型舱室气流组织数值模拟[J]. 中国舰船研究, 2015, 10(6): 107-113. DOI:10.3969/j.issn.1673-3185.2015.06.016 |
| [2] |
郭宝坤, 李慧子, 刘鑫, 等. 船用布风器冬季工况射流流场模拟及试验研究[J]. 制冷与空调, 2016, 16(12): 26-30. |
| [3] |
刘亮, 孙丽颖, 那海涛, 等. 布风器形式对船舶会议室内气流分布影响的数值模拟[J]. 流体机械, 2013, 41(1): 73-77. DOI:10.3969/j.issn.1005-0329.2013.01.017 |