0 引　言

船舶相对于陆上环境来说其空间较小、难以将舱室内外的空气来回交换，热环境较差，轻则影响乘员的热舒适性环境，导致工作效率变低；严重则会使乘员产生头晕、胸闷、呕吐的现象。同样舱室内的湿度过高，促使舱室内各种微生物病菌的生长，损坏乘员的身体健康。

李伊洁等^[1]对现有文献分析，提出对PMV热舒适模型“负荷偏离值”计算的见解及适用范围。阚安康等^[2]通过对舱室建模研究了影响空调舱室热环境的较多因素，分析了PMV（predicted mean vote预测平均满意值）指标的作用及其运算方法。何博等^[3]基于STAR CCM+软件模拟并研究了冬季制热工况下某空调房间内的气流组织和热环境。王烨等^[4]采用CFD方法研究空调房间室内环境参数对室外气象参数瞬时变化的动态响应得出在同一送风参数下，采用顶送风方式时更有利于降低室内污染物浓度的结论。邢娜等^[5]建立了客船舱室的简化模型，分析了温度、相对湿度对船舶空调热舒适性和能耗的影响，指出在得到热舒适前提下，通过不同的组合方式实现空调节能。

本文通过实船测试输送兵舱及新风口的环境温湿度，确定舱内热环境的恶劣程度和负荷计算中的新风参数。针对舱内较差的温度环境、舒适性情况，采用CFD软件仿真舱内设有空调后的温度分布情况，模拟4种船舶较为常用的送风末端不同形式的布风器对舱室内热舒适的影响，通过经济性指标-能量利用系数、热舒适指标-PMV，PPD及ADPI（Air Diffusion Performance Index）、送风有效性指标-不均匀系数对典型舱室进行送风指标评价，得到输送兵舱室对应的最优送风工况。

1 船舶客舱空调气流模拟模型 1.1 舱室模型 1.1.1 物理模型

图1为输送兵舱几何模型图，其长宽高尺寸为6000 mm×4000 mm×2528 mm，其回风方式为回风管回风，2个送风口，回风口尺寸为400 mm×200 mm，布风器长800 mm×300 mm×210 mm，布风器送风口半径为75 mm，舱室内可容纳乘员45名。

1.1.2 网格划分

采用六面体结构化网格对计算区域进行离散，并在送风口和回风口进行局部网格加密。其他网格划分规则统一定为：固体边界的最小网格数为2，单元的宽高比最大为2:1。

1.1.3 送风末端形式

方形布风器如图2所示，其中方形布风器尺寸800 mm×300 mm×210 mm，布风器送风口半径为75 mm，挡板尺寸为180 mm×180 mm，挡板距离风口距离为40 mm。圆形布风器如图3所示，圆形布风器尺800 mm×300 mm×210 mm，布风器送风口半径为75 mm。挡板尺寸为r=120 mm，挡板距离风口距30 mm。圆形孔板布风器如图4所示，孔口直径为8 mm，孔间距为3 mm，气流从两侧及下方孔板送风。图5为方形孔板布风器，其孔口直径为8 mm，孔间3 mm，气流从两侧孔板及下孔板送出。

1.2 计算模型 1.2.1 数值模型

研究对象为三维、不可压缩湍流流动传热过程。流体流动控制方程包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程，湍流模型采用RNG k-ε模型。

1.2.2 边界条件

根据船舶设计标准的计算公式及参数设定，取送风温差为10℃，舱内设计温度为27℃，相对湿度为50%，送风温度为15℃；根据实船测试结果舱外设计温度选择35℃；相对湿度为65%；根据空调设计送风量送风口风1500 m³/h。

2 船舶客舱热舒适性分析 2.1 不均匀系数

不均匀系数表示参数在空间内分布是否均匀，本文研究主要关注温度及速度的变化，在研究时采取划分区域，然后利用测点进行平均值的计算^[6] 。

$ \left\{\begin{array}{l} k_{t}=\dfrac{\delta_{t}}{\bar{t}}，\\ k_{u}=\dfrac{\delta_{u}}{u}。\end{array}\right. $

(1)

式中： $ \bar t $ 和 ${\bar u}$ 为算术平均值； $ {\delta }_{t}和{\delta }_{\text{u}} $ 为均方根偏差。

2.2 空气分布特性指标

空气分布特性指标（ADPI）指简单地满足值与总值数量的比值，考虑到舱室空气湿度对人体舒适性影响变化较小，研究时主要针对空气气温及速度作用。一般按照下面的表达式计算有效温差^[7]：

$ \Delta E T=\left(t_{i}-t_{n}\right)-7.66\left(u_{i}-0.15\right)。$

(2)

式中： $ \Delta ET $ 为有效温差，K； ${{{t}}_{{i}}}$ 为测点温度，K； ${{{u}}_{{i}}}$ 为测点速度，m/s； ${{{t}}_{{n}}}$ 为工作区温度，K。

当ΔET 在−1.5~1.1 K 时，乘员感觉到舒适，因此引出空气分布特征指标ADPI 为：

$ { ADPI }=\frac{(-1.5<\Delta E T<1.1) \text { 内测点数 }}{\text { 总测点数 }} \times 100\text{%}。$

(3)

通常要保证ADPI≥80%。

2.3 PMV 及 PPD 指标

PMV指标代表了相同热区域下大多数乘员的感觉，以此来判断当前室内环境舒适与否。但个体新陈代谢率是不一样的，引入PPD（predicted percentage dissatisfied）指标，代表对研究区域不满意的比例^[8]。

2.4 能量利用效率

能量利用效率用温度效率表示，通过其自身的计算结果来进行气流分布的能力检验，并以此判定送风的经济性能^[9]。

$ \eta_{t}=\frac{t_{e}-t_{s}}{t_{\alpha}-t_{s}}。$

(4)

式中： $ {\bar t_\alpha } $ 为战斗乘员周围环境平均温度，K； ${{{t}}_{{e}}}$ 为回风温度，K； ${{{t}}_{{s}}}$ 为送风温度，K。

3 结果分析 3.1 模拟条件 3.1.1 舱室环境参数实测

新风口布置了2个测点，分别位于新风口的内部及外部；输送兵舱内部布置3个测点，分别距离甲板 0.5 m，1.6 m，2.5 m 高度方向上。

为了便于数据的观察及处理，分析时将数据划分为3个阶段：水上航行工况、停靠岸工况、返航工况，针对温湿度进行分析，分别对应时间节点区域为1～51、时间节点区域为51～52、时间节点区域为52～60。

3.1.2 测试结果分析

1)）湿度

图6为水上航行工况新风口湿度变化图。在时间节点1~19的船舶加速和低速匀速阶段，湿度逐渐增加直至达到最高值，航行状态下湿度最大值在82% RH 左右，湿度较高值维持了30 min左右。在此阶段船舶微减速，阻力较大导致新风口周围水雾加大，因此湿度较高。在航行高速阶段，新风口的湿度维持在78% ～73% RH范围内。在52~60时间节点内，湿度逐渐增加，结合上面分析可知，在启动阶段湿度会有所提升，之后保持稳定状态。

图7为停靠岸时的新风口的湿度曲线图。可以看出新风口湿度从高湿度慢慢降低，然后湿度值分别在57% RH，50% RH，55% RH，50% RH附近波动，停靠岸时新风口处的湿度平均值在60% RH左右，内部湿度低于外部湿度。在进行负荷设计是应选取新风口内部平均湿度65%作为计算参数。

2）温度

图8和图9为新风口航行状态时温度变化曲线图。从图8可以发现温度与湿度变化趋势是相反的，湿度低时温度较高，湿度高时温度较低。水上航行工况的新风口温度由高到低变化，一段时间后温度基本保持稳定状态，保持在30℃左右。整体来看温度较高状态同样处于启动阶段，此阶段设备负荷使温度会有一定的提升，稳定状态持续时间为开始稳定到减速停靠岸之前。观察时间节点52～60下午返航时段的温度变化，在船舶刚开始启动时新风口处温度较高，随着航行状态持续温度逐渐降低回到稳定的温度范围内。

从图9可以发现停靠岸过程中温度较高。整个停靠岸过程随着状态的稳定，温度先逐渐增加然后趋于稳定。整个过程中最高温度为39℃，平均温度约为35℃，停靠岸过程新风口温度比航行状态下高出约8℃。在进行负荷计算时选取新风口平均温度35℃为计算参数。

3.1.3 输送兵舱

1)）湿度

图10和图11为输送兵舱内距离甲板2.5 m，1.6 m，0.5 m高度方向的湿度变化图。整体来看整个舱内的湿度稳定在60% RH，湿度由83% RH逐渐降低到60% RH，即整个上午航行过程，舱室内的湿度浮动较大，返航阶段湿度为 60% RH。停靠岸工况下湿度没有明显规律，波动幅度较大，均值保持在63% RH左右。输送兵舱内未安置空调系统，舱室湿度较大，均已超过舱内的设计值 55 RH%，舱内湿度环境较差。

2）温度

图12和图13 为舱室内距离甲板2.5 m，1.6 m，0.5 m高度方向上的温度变化图。航行中整个舱室内的温度较高，温度由30℃增加到35℃，返航阶段温度在36℃左右，基本和航行时温度保持一致。停靠岸时绝大部分时间段温度是在36℃左右。舱内温度较高达到了36℃，相较于标准舱内设计温度27℃温差较大，舱内热环境需要改善。

经实船测试发现输送兵舱内热环境较差，采用新风口的测试数据进行负荷计算，设计空调系统。

3.2 温度场对比分析

图14为圆形布风器送风时输送兵舱坐姿及站姿乘员头部截面位置温度分布图。部分乘员区域温度较高，在28℃左右，说明两侧乘员较密区域气流在此处流动受阻，导致换热效果较差。站姿乘员头部截面没有出现温度较高区域，贴壁处温度较高，同样在下侧区域温度相对较高。

图15为方形布风器送风时输送兵舱坐姿及站姿乘员头部截面位置温度分布图。相对于圆形布风器其温度截面温度较低，约为23℃，乘员处温度较高区域得到了很好的改善，并且左右侧温度也有大区域的改善。

图16为圆形孔板布风器送风时输送兵舱坐姿及站姿乘员头部截面位置温度分布图。相对于圆形布风器，圆形孔板布风器的Hight-1截面温度较低，但是相对于方形布风器Hight-2截面其温度改善较小。

图17为方形孔板布风器送风时输送兵舱坐姿及站姿乘员头部截面位置温度分布图。相较其他几种布风器形式，坐姿乘员截面温度较低，约23℃～25℃，站姿乘员截面温度保持在27℃，局部区域保持在22℃，可以推断此处区域气流速度较大。

3.3 速度场对比分析

图18为圆形布风器送风时输送兵舱乘员头部截面位置速度云图，输送兵舱侧壁面处风速较高，为0.6 m/s，乘员周围风速为0.2 m/s，右侧区域风速为0.4 m/s，受回风口影响风速贴壁流动。

图19为方形布风器送风时输送兵舱乘员头部截面位置速度云图。其中整个截面速度分布较为均匀，气流聚集区域得到改善，相对于圆形布风器及方形孔板布风器，气流与空气换热效果较好。

图20为圆形孔板布风器送风时输送兵舱乘员头部截面位置速度云图。相对于方形布风器，无论是坐姿乘员截面还是站姿乘员截面，气流较高区域得到了较好的提升，气流的流动效果较佳。

图21为方形孔板布风器送风时输送兵舱乘员头部截面位置速度云图。截面处气流分布较为不均匀，乘员周围出现风速较高气流，在较高速度区域可以发现位于孔板布风器下方，气流从速度较高位置逐渐向四周扩撒，随着动能的减弱，气流速度逐渐降低。

3.4 舒适度分析

输送兵舱是输送兵员的区域，其乘员密度较大，要保证兵员的战斗力，对环境的要求相对更高。实艇测试时兵员在舱内处于坐姿状态，所以进行测点布置时，选择坐姿乘员头部截面区域，从上到下分别设1～10，11～20，21～30，31～40，41～50，51～60，61～70，71～80，81～90共90个测点。

3.4.1 热舒适性指标评价

1）PMV 指标

对4种送风方式进行PMV计算，分析其各测点PMV。发现圆形布风器的整体PMV值均匀性较高，较大值集中在舱室中部区域，该区域乘员比较密集，气流流动受阻，导致温度偏大；方形布风器的整体 PMV 值保持在中性范围内，中部区域测点相对于其他测点PMV偏大，舱室内整体舒适性较高；圆形孔板布风器的整体PMV值偏离中性较大，靠近回风口处PMV 值比较靠近中性值，整体PMV值较高，舒适性较低；方形孔板布风器的PMV值与圆形孔板较为相近且分布均匀，远离回风口处的PMV值偏大，整体PMV值相对于方形布风器及圆形布风器送风时偏大，但相对于圆形孔板布风器偏小。

通过表1平均PMV值可以看出，方形布风器送风时人体的热感觉最接近于中性，为0.30，圆形布风器及方形孔板布风器次之，圆形孔板布风器送风的舱室内PMV值较高。

2）ADPI 指标

根据式（3）计算出4种工况下的ADPI 值，从表2分析可得，4种送风方式下，圆形布风器、方形布风器及方形孔板布风器 ADPI 值均大于80%，保证较好的舒适度，空调效果较好，其中方形布风器舒适度最好，圆形孔板布风器 ADPI 值效果较低，乘员对室内的空气不满意度较低。

3）不均匀系数对比

根据式（1），求得4种送风方式下温度不均匀系数，如表3 所示，圆形孔板的不均匀系数 0.0021，则整体环境温度分布好，圆形布风器的和方形孔板布风器效果相近，圆形孔板布风器不均匀系数最高。

通过分析可知，对于输送兵舱这种人数较多并且乘员密度密集的舱室，使用圆形布风器及方形布风器时舱室整体指标评价较高，考虑到其提供的乘员周围的风速相对较高及换热更加充分，圆形孔板形布风器相较于方形孔板布风器送风效果较差。

3.4.2 能量有效性利用指标

能量有效利用指标通过能量有效利用系数表示，选取在回风口平面均匀布置 10个点求得回风温度，再通过求ADPI 的方法在舱室整个空间内获取100各测点求平均值得舱室内的平均温度。

根据计算公式（4），从表5 看出方形布风器最节能，圆形孔板布风器最不节能，方形孔板布风器和圆形布风器效果相近，所以从节能的范围考虑设计时应注重选取方形布风器及圆形布风器。

4 结　语

通过实测与模拟方法结合，对输送兵舱的热舒适性进行研究，得出以下结论：

1）经实船测试可以发现，在新风口由于外部的防水罩阻挡了部分的水分进入风口，从而使得内部湿度都低于风口外部湿度，在进行负荷计算时舱外相对湿度应按照内部风口处湿度进行选择，选取 65%RH，温度选取平均温度35℃。

2）利用舒适性指标 PMV和ADPI，能量有效性利用指标及不均匀系数建立了舱室气流组织的评价结构。

3）对于输送兵舱这种乘员密集的舱室，使用圆形布风器及方形布风器时舱室整体指标评价较高，主要考虑到其提供的乘员周围的风速相对较高及换热更加充分，而圆形孔板形布风器相较于方形孔板布风器送风效果较差。