0 引　言

大型邮轮为游客提供娱乐、休闲、购物等服务，旨在让游客有美好而舒适的旅行体验，因此对乘客的舒适性有着极高要求^[1-2]。大型邮轮上层建筑开敞区域设有SPA区、水上乐园、泳池、体育广场，休息区等众多娱乐休闲场所，这些区域的流场分布复杂^[3]，气流对乘客的直接冲击、漩涡的脱落、烟囱的烟气扩散等均会影响乘客的舒适性。

开敞区域流速过大可能会导致乘客步行困难，失稳摔倒，难以睁开双眼，体感温度过低等问题。研究表明，流速v<5 m/s时，气流对乘客舒适性几乎没有影响；5 m/s<v<10 m/s时，气流会吹乱头发，给穿裙子的女性带来困扰；10 m/s<v<15 m/s时，人行走有阻尼感；眼睛有干涩感；v>13 m/s时，老年人会有失稳摔倒的风险；v>15 m/s时，人步行困难，难以控制平衡，眼睛难以睁开；乘客受风角(风吹响乘客的角度)不理想会导致乘客眼睛受到较大损伤，增加摔倒风险，其中风以45°吹向乘客时，对眼睛伤害最大；同时人在湍流度高(脱涡较多)的区域行走时会产生明显不适感^[4-9]。邮轮开敞区域是游客休闲活动的主要区域，在气流流过甲板上层建筑时，原本平稳流动的气流在上层建筑后方形成紊流和涡流区，烟气易被卷入在烟囱背部形成的涡流区域。如果设计不当，极有可能导致烟囱排出的废气灰尘落在游客活动区，造成不佳的体验^[10]。因此本文主要从上层建筑开敞区域流速、乘客受风角、脱涡区域以及烟囱的烟气扩散情况4个方面考量乘客的舒适性。

目前对船舶风荷载及流场研究中CFD方法是使用最广泛的一类方法。Janssen等^[11]利用CFD方法对不同简化程度的集装箱船模型进行了仿真模拟。研究表明集装箱船上的细节以及微小结构对整体风荷载影响很小，因此对邮轮的数值模拟也会对模型进行部分简化。Xiong等^[12]提出了一种基于CFD的全尺寸后巴拿马型集装箱船周围气流的三维数值模拟方法。通过UDF模拟了剪切流速度入口，对集装箱船进行了0～180°风向角的数值模拟，研究了作用在集装箱船上的风力及其周围的流场分布情况。黄少雄^[13]利用CFD方法研究了0～30°偏航角下邮轮烟流场分布情况，总结了3种对船舶烟气扩散影响的关键因素：湍流区域、速度比、偏航角，分析了烟气扩散规律。Wnek等^[14]利用CFD方法对LNG船与海上平台不同风向角下的风荷载分布进行了研究，并通过风洞实验对数值模拟方法的准确性进行了验证。王金玲等^[15]研究了舰船空气尾流场特性随风条件（风速、风向)的变化规律，研究发现舰船空气尾流场随甲板流速的变化规律符合雷诺数独立性原则。在一定范围内，入口风速的变化对舰船甲板流场特性的影响很小，但风向角的变化会导致舰船空气尾流场发生剧烈改变，开敞区域布置不同的舰船流场特性也不尽相同。

目前国内还没有基于流场特性对大型邮轮开敞区域乘客舒适性进行分析研究，本文以某大型邮轮为研究对象，通过风洞实验验证CFD方法的准确性，利用UDF模拟剪切流速度入口，分析0～180°风向角下大型邮轮开敞区域的流场特性，并通过其流速、乘客受风角、脱涡情况烟囱烟气扩散情况这4个指标找出最不利风向角，对其做进一步研究，为开敞区域舒适性设计提供指导。

1 数值计算方法及验证 1.1 数值模型建立

建立某大型邮轮实尺度模型，如图1所示。参考张亚等^[16]和韩琳等^[17]在船舶风荷载数值模拟中计算域以及边界条件设置，计算域x，y向均取5倍船长，z向取3倍船高，邮轮模型置于流体域正中间的底端，如图2所示。入口选用速度入口边界，出口设为压力出口边界，两侧为对称壁面，上下壁面为滑移壁面，船体为无滑移壁面。

近海面波浪产生的摩擦阻力会减少近海面风速能量，使近海面风速降低。在大气边界层，风速V_W随着海洋上方的高度h而变化，因此速度入口选择自然梯度风速^[3]，其自然速度梯度通常表示如下:

$ {V_W} = {V_0}{\left( {\frac{h}{{{h_0}}}} \right)^\alpha }。$

(1)

其中：V₀为海平面上方h₀处的风速；根据挪威海事指南^[19]，h₀通常取10 m；α为风速廓线指数，通常在0.11～0.14之间。

采用混合网格划分，在模型周围建立一个区域，区域外采用六面体划分；区域内远壁面处采用四面体网格划分；近壁面处采用用三棱柱网格划分，用于四面体与六面体网格的过渡。六面体网格的增长率为1.15。网格划分如图3所示。数值模拟网格的疏密程度不仅会影响计算精度，还会影响计算效率。通过网格收敛性分析以及考虑到计算效率，本文数值模拟网格数量为343万。

数值模拟雷诺数大于10⁵，属于湍流状态。目前湍流数值模拟方法主要有直接数值模拟方法（DNS）、大涡模拟（LES）以及雷诺时均方法（RANS）等。本文采用RANS方法，此方法需要利用湍流模型将方程进行封闭。研究证明，RANS几种常见的湍流模型中，realizable k-ε湍流模型计算结果与实验结果较为接近^[18]，本文采用此湍流模型，其湍动方程如下：

$ \frac{{\partial \left( {\rho k} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho k{u_i}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _k}}}} \right)\frac{{\partial k}}{{\partial {x_i}}}} \right] + {G_k} - \rho \varepsilon，$

(2)

$\begin{split} & \frac{{\partial \left( {\rho \varepsilon } \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {\rho \varepsilon {u_i}} \right)}}{{\partial {x_i}}} = \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left[ {\left( {\mu + \frac{{{\mu _t}}}{{{\sigma _k}}}} \right)\frac{{\partial \varepsilon }}{{\partial {x_i}}}} \right] + \\ & \rho {C_1}E\varepsilon - \rho {C_2}\frac{{{\varepsilon ^2}}}{{k + \sqrt {v\varepsilon } }} 。\end{split} $

(3)

对流项离散采用二阶迎风格式，压力-速度耦合方程采用SIMPLEC算法求解。

1.2 方法验证

将基于缩比模型的风洞试验与数值模拟对上述计算方法进行验证。邮轮风洞试验模型缩尺比为 1∶200，如图4所示，主尺寸见表1。为避免烟囱处有流体进入，试验中对烟囱出烟口进行了封闭处理。

风洞试验在WD-1直流吸气式边界层风洞中进行，风洞试验段长16 m，截面宽3.2 m，高2.1 m。试验最大阻塞率为5.17%(90°风向角)，最小阻塞率为0.59%(0°与180°风向角)。通过风洞试验段上游设置的尖劈、粗糙元组合能模拟不同的大气边界层风场特性。利用DTCnet电子式压力扫描阀测压系统对邮轮外表面风压进行测量，风速由Cubra Probe眼镜蛇三维脉动风速探头测量。试验设备布置如图5所示。

在风洞试验之前，必须调查研究对象的临界雷诺数(Re)范围。当模型比例尺上的Re超过该临界范围时，风荷载系数将对Re不敏感。Wang等^[3]对Vista级邮轮的临界雷诺数范围进行了探讨，研究表明当雷诺数大于10⁶时，邮轮风荷载将变得稳定。因此本文V₀取10m/s，此时Re=0.97×10⁶。本次试验考虑0°～180°风向角下的情况，每30°为一个试验工况。

风压系数C_p可用来衡量流体对固体的影响，C_p定义如下：

$ {C_{{p}}} = \dfrac{{P - {P_0}}}{{\dfrac{1}{2}\rho u_0^2}} 。$

(4)

其中：P为邮轮表面的绝对压力；P₀为大气压力；u₀为远场风速。

图6为本文整船数值模拟结果与试验结果中C_p的对比，结果表明两者吻合较好。

图7为0°风向角下数值模拟与试验风压云图的对比，结果表明风压分布与极值基本一致，证明了本文所用数值模拟方法的准确性。

2 结果分析与讨论 2.1 风向角对流场及乘客舒适性的影响

上层建筑开敞区域的流速，乘客受风角，脱涡情况均会影响乘客舒适性，不同风向角下，其对乘客舒适性影响也不同。因此基于上述研究，从这3个角度寻求其最不利风向角，从而对其进一步分析。

不同区域的舒适性要求有所不同，因此分别提取出离海面高42 m(休息区、泳池以及走廊高度)，48 m(体育广场以及水上乐园高度)，53 m(SPA区域以及走廊高度)处最大流速，并观察其随风向角的变化。图8为上层建筑不同区域最大流速随风向角变化的曲线。结果表明，上层建筑不同区域的流速随风向角的变化趋势基本一致，流速最值却有较大差异，其中60°风向角下流速最大，对乘客舒适性影响最大。在设计时，可将60°风向角视为流速极端风向角。

除了流速，乘客受风角也需要考虑，其中风以45°吹向人体时对人眼伤害最大，表2为上层建筑不同区域乘客最不利受风角随风向角的变化。其中，除了0°和180°外，其他风向角下最不利受风角均为45°。

相同的瞬时流速风向下，湍流强度较大区域给人的不适感会高于静流区或者低湍流度区域，而脱涡较为明显的区域往往湍流强度较大，因此开敞区域的脱涡分布也是需要着重考虑到的部分。表3为不同风向角下开敞区域不同上层建筑的脱涡情况，可看出风向角的改变会影响上层建筑的脱涡情况。

其中，体育广场和休息区在任何风向角下的脱涡都较为明显，这是因为这2个区域的高度落差较为明显，流速风压易于发生变化，且在除了0°风向角外的其他角度均是处于迎风侧，而0°风向角下，则是处于前侧烟囱的湍流尾涡中，因此湍流度较大。SPA区只有在180°风向角下脱涡较少，其他风向角脱涡与体育广场和休息区较为类似。不同的是180°风向角下，SPA区的迎风侧没有明显的高度落差，没有较为高耸的区域，因此脱涡较少。水上乐园处于SPA区域后方，且高度略低于后者，因此0°风向角会因为SPA区的尾涡和高度落差产生对称脱涡，180°风向角则是主要处在烟囱尾涡的末端中，因此会有少量脱涡，其他风向角则主要是因为处于迎风侧且与泳池区有明显高度落差。泳池区由于地势很低，完全处在背风面，因此各个风向角基本无脱涡现象，只有180°风向角下受烟囱影响，处于烟囱对称尾涡中。

风向角为60°时，开敞区域存在大量涡脱落，对乘客舒适性影响最大。在设计时，可将60°风向角视为脱涡极端风向角，对此风向角下的乘客舒适性进行评估分析。

2.2 60°风向角的流场及乘客舒适性分析

对60°风向角的开敞区域流场进行分析，在此基础上对不同区域进行舒适性评价。

泳池区和水上乐园区湿度较大，为避免乘客体表温度过低，因此对流速的要求较高，需布置在流速较低的位置。体育广场区域设有乒乓球台等各种露天运动场所，休息区旨在为乘客提供舒适的休息环境，因此这2个区域对流速、受风角和脱涡要求均较高。SPA区主要提供日光浴服务，对流速要求较高。

图9和图10分别为60°风向角下不同高度的速度分布云图和整体的脱涡分布情况。图9（a）为离海面高42 m（休息区，泳池以及走廊高度）流速分布情况。可知泳池与休息区流速均较小，这是因为这2个区域均处于地势较低处，且处在背风面，可达到舒适性要求。而迎风一侧走廊平均流速达到10 m/s，对人体舒适性有一定影响。图9（b）中水上乐园区域流速小于5 m/s，对乘客舒适性并无影响，但是体育广场的迎风侧流速高于10 m/s，会影响乘客在此区域的运动体验，可考虑将体育广场布置在其他流速较小、脱涡较少的位置。

图9（c）中SPA区域靠近船首方向有局部流速达到10 m/s以上，但大部分乘客活动区域流速均小于5 m/s，对乘客舒适性影响较小。如图10所示，除了泳池区基本无脱涡，其他区域的脱涡均较为明显，湍流强度均较高，结合流速大小的考量，SPA区域，体育广场和休息区的迎风侧湍流度和流速均较高，对乘客舒适性会产生明显影响。

根据以上分析，水上乐园和泳池区的布置与设计较为合理，乘客舒适性较高，而其他区域的乘客舒适性均待提高。可优化上层建筑的布置设计来提高乘客舒适性。

2.3 不同风向角烟气扩散

对烟囱烟气扩散进行模拟，探究其对舒适性的影响。数值模拟假设烟气为纯气体^[11]。图11为0～180°风向角下烟囱排烟情况。可以看出，30°、60°、150°风向角下，烟气并无下洗现象；0°、90°、120° 风向角下虽然烟气有下洗现象，但是并未扩散到顶层甲板上，不会对乘客的舒适性造成影响；180°角度下烟气有明显下洗现象，烟气会扩散到开敞区域中的SPA区，对乘客舒适性造成较大影响。

本船烟囱烟气只有在180°风向角下才会下洗到开敞区域，在正常行驶时，很少会出现此风向角。在对邮轮烟囱进行设计时，可将烟囱的高度适当调高，以避免烟气下洗到开敞区域。同时邮轮驾驶员可以通过略微改变航行方向，以防止180°风向角的产生，从而降低烟气对乘客舒适性的影响。

3 结　语

本文研究建立基于流场特性的邮轮开敞区域舒适性分析方法，探讨不同风向角下，开场区域流场对乘客舒适性的影响。发现60°风向角下，开敞区域乘客舒适性最差。同时风向角的变化对烟囱烟气扩散规律有着显著影响，180°风向角下，烟囱烟气会下洗到SPA区域，对乘客的舒适性造成较大影响。研究结果可为邮轮开敞区域的布置设计以及驾驶提供指导。