0 引　言

为保证潜航员在水下生存的舒适性，必须对载人舱的大气环境进行严格控制。空气再生、有害气体净化及大气环境监测是深海载人平台舱室大气环境控制的关键技术^[1]。CO₂浓度控制作为空气再生和有害气体净化的一项重要工作，关乎潜航员生命安全与生存质量。多份文献中对密闭舱室内的CO₂浓度做出了限定^{[2 - 3]}，正常大气环境中的CO₂浓度约为0.03%，CO₂浓度的升高将导致人体机能下降，在CO₂浓度达到0.5%~1.0%的密闭环境中，人员长期暴露受到的影响较小，然而，当CO₂浓度达到3%时，潜航员将很难完成体力工作任务。

载人平台通常采用加装碱性吸收剂的CO₂吸收装置消除CO₂^[4]，以控制载人舱内CO₂浓度。然而，CO₂浓度控制受到舱室通风、人员呼吸强度、舱内设备及人员的分布情况、吸收剂效率等多种因素的影响。针对密闭舱室中CO₂浓度分布问题，较常使用的方法是采用基于多传感器的CO₂浓度检测技术^[5]，直接在密闭舱室中监测区域CO₂浓度，该方法的局限性在于人员真实试验数据难以获取，且可得到的测点数据严重依赖传感器的数量，一般无法获得舱室气流组织的分布情况。近年来，随着数值计算技术的发展，利用计算流体力学（CFD）方法研究舱室气流组织成为了普遍采用的一种方法^[6]，该方法具备方便、快捷的优点，且能够直观地模拟舱室流场的分布细节。陈元超等^[7]研究了不同送风工况下密闭空间内的CO₂浓度，其研究可为密闭空间清除CO₂的参数设定提供参考依据。周鑫涛等^[8]开展了密闭舱室气流组织数值模拟，研究了送风形式对舱室气流组织的影响，优化了舱内送风形式。周建瑜等^[9]研究了渔船密闭舱室内的氨气泄漏现象，发现氨气泄漏探测装置布置在较高位置处具有更高的精度。

1 计算对象

本文仿真计算对象为某深海载人平台简化串联舱段，图1为该串联舱段几何模型，图2为该串联舱段内部设备表面网格。

2 CFD数值计算方法 2.1 控制方程

数值计算控制方程包括连续性方程和动量方程。

不可压缩流体连续性方程为：

$ \begin{array}{c}\displaystyle\frac{\partial u}{\partial x}+\displaystyle\frac{\partial v}{\partial y}+\displaystyle\frac{\partial w}{\partial z}=0。\end{array} $

(1)

动量方程：

$ \begin{split}{l} \rho \left( {\displaystyle\frac{{\partial u}}{{\partial \tau }} + u\displaystyle\frac{{\partial u}}{{\partial x}} + v\displaystyle\frac{{\partial u}}{{\partial y}} + w\displaystyle\frac{{\partial u}}{{\partial z}}} \right)\begin{array}{*{20}{c}} = \end{array}\\ {F_x} - \displaystyle\frac{{\partial p}}{{\partial x}} + \eta \left( {\displaystyle\frac{{{\partial ^2}u}}{{\partial {x^2}}} + \displaystyle\frac{{{\partial ^2}u}}{{\partial {y^2}}} + \displaystyle\displaystyle\frac{{{\partial ^2}u}}{{\partial {z^2}}}} \right)，\end{split}$

(2)

$\begin{split}{l} \rho \left( {\displaystyle\frac{{\partial v}}{{\partial \tau }} + u\displaystyle\frac{{\partial v}}{{\partial x}} + v\displaystyle\frac{{\partial v}}{{\partial y}} + w\displaystyle\frac{{\partial v}}{{\partial z}}} \right)\begin{array}{*{20}{c}} = \end{array}\\ {F_y} - \displaystyle\frac{{\partial p}}{{\partial x}} + \eta \left( {\displaystyle\frac{{{\partial ^2}v}}{{\partial {x^2}}} + \displaystyle\frac{{{\partial ^2}v}}{{\partial {y^2}}} + \displaystyle\frac{{{\partial ^2}v}}{{\partial {z^2}}}} \right)，\end{split}$

(3)

$\begin{split}{l} \rho \left( {\displaystyle\frac{{\partial w}}{{\partial \tau }} + u\displaystyle\frac{{\partial w}}{{\partial x}} + v\displaystyle\frac{{\partial w}}{{\partial y}} + w\displaystyle\frac{{\partial w}}{{\partial z}}} \right)\begin{array}{*{20}{c}} { = } \end{array}\\ {F_z} - \displaystyle\frac{{\partial p}}{{\partial x}} + \eta \left( {\displaystyle\frac{{{\partial ^2}w}}{{\partial {x^2}}} + \displaystyle\frac{{{\partial ^2}w}}{{\partial {y^2}}} + \displaystyle\frac{{{\partial ^2}w}}{{\partial {z^2}}}} \right)。\end{split}$

(4)

式中：$ u $、$ v $、$ w $分别为x、y、z方向的速度分量；$ {F}_{x} $、$ {F}_{y} $、$ {F}_{z} $分别为x、y、z方向的体积力分量；$ \eta $、$ \rho $、$ \tau $分别为动力黏度、密度及时间。

2.2 边界条件

表1为密闭舱室内所有设备及人员的边界条件设置情况。设备及舾装结构设置为壁面边界条件，通过设置人员呼吸边界条件、CO₂吸收装置送回风边界条件和空调送回风边界条件，对密闭舱室内CO₂浓度的动态平衡过程进行了数值模拟。

3 网格敏感性研究

仿真采用商业软件STAR-CCM+进行，为保证仿真结果的可靠性，首先开展了网格敏感性研究。设置3种不同的基础网格尺寸开展网格划分工作，3套网格由密集到稀疏，网格量分别为553万、379万和275万。

采用3套网格分别开展了密闭舱室内CO₂吸收的仿真研究。表2为基于不同网格方案计算得到的CO₂平衡浓度结果。

表中CO₂平衡浓度“理论值”计算式为：

$ \begin{array}{c}{{\mathrm{CO}}}_{2{\mathrm{in}}}={{\mathrm{CO}}}_{2{\mathrm{out}}}，\end{array} $

(5)

$ \begin{array}{c}{{\mathrm{CO}}}_{2{\mathrm{in}}}={{N}}_{1}{Q}_{1}，\end{array} $

(6)

$ \begin{array}{c}{{\mathrm{CO}}}_{2{\mathrm{out}}}={{\mathrm{c}}_{1}{c}_{2}{N}}_{2}{Q}_{2}。\end{array} $

(7)

式中：$ {{\mathrm{CO}}}_{2{\mathrm{in}}} $为人员呼出到舱室大气环境中的CO₂；$ {{\mathrm{CO}}}_{2{\mathrm{out}}} $为CO₂吸收装置消除的CO₂；$ {{N}}_{1} $为舱内人数，取$ {{N}}_{1}=3 $；$ {Q}_{1} $为预先设定的CO₂人均释放速率，$ Q_1\approx 22\ \mathrm{L/h} $；$ {{c}}_{1} $为舱内CO₂浓度理论值；$ {c}_{2} $为CO₂吸收装置过滤效率（应由试验获取），取$ {c}_{2}=0.9 $；$ {N}_{2} $为运行的CO₂吸收装置数量，$ {N}_{2}=2 $；$ {Q}_{2} $为预先设定的CO₂吸收装置风量，$ Q_2\approx75\ \mathrm{m^3/h} $。

上述计算过程假设舱内气流分布均匀，故CO₂吸收装置入口处的CO₂平衡浓度等同于密闭舱室内的CO₂平衡浓度，实际上，CO₂吸收装置布置于舱内换气良好的区域，故此假设造成的误差是相对小量。

由表2可以看出，使用3种不同密集程度的网格开展数值计算，数值计算结果与理论值的误差均较小，说明数值计算结果具备较高的可信度。与此同时，随着网格尺寸的减小（网格数增加），数值计算的结果更加接近理论结果，说明数值计算结果随网格增加而收敛。本文采用最密集网格方案开展后续仿真研究。

4 仿真结果分析

1）空调风量对$ {{\mathrm{CO}}}_{2} $浓度及分布的影响

空调装置的送回风为密闭舱室内的气体流动提供了动力源，空调装置的风量对舱内气流速度及气流组织有明显的影响。因此，针对不同空调送风量，研究了舱室内的CO₂浓度及CO₂分布情况。

由图3可知，空调风量对舱内CO₂平衡浓度几乎没有影响，但随着空调风量增大，舱内CO₂浓度下降速率有所提升，CO₂浓度下降至平衡值的时间缩短。

由图4可知，随着空调风量增加，CO₂在舱室内几个典型截面中的分布浓度变化很小，这说明提高空调风量对舱内CO₂平均浓度的影响很小。

由图5可知，随着空调风量增加，CO₂吸收装置送风截面中局部聚集的CO₂浓度显著降低，这说明提高空调风量可有效避免舱室内的CO₂以及其他类似有害气体在局部的高浓度聚集。

2）CO₂吸收装置风量对CO₂浓度分布的影响

CO₂吸收装置风量$ {{Q}}_{XS} $是影响CO₂吸收速率的一个重要参数。因此，针对不同CO₂吸收装置风量，开展了密闭舱室CO₂平衡浓度数值计算，以探究密闭舱室内CO₂浓度与吸收装置风量的关系。

由图6可知，舱室CO₂平衡浓度与CO₂吸收装置风量有显著关系，且数值计算结果与式(5)~式(7)计算得到的理论结果十分接近，这进一步说明了数值仿真结果的可信度。

由图7可知，CO₂吸收装置风量对舱室内CO₂平衡浓度影响很大，随着吸收装置风量增加，舱室内CO₂平衡浓度显著下降，这说明提高CO₂吸收装置风量，能够有效降低密闭舱室内的CO₂浓度，显著提升呼吸舒适度。因此，可将CO₂吸收装置设计为多档位风量可调节型，便于在吸收剂效能下降、更换吸收剂等场景下使用大风量模式，在短时间内将舱内CO₂浓度降至舒适水平。

由图8和图9可知，CO₂吸收装置运行风量对载人舱CO₂分布浓度有着显著的影响，随着CO₂吸收装置风量增加，深海载人平台密闭舱室内的CO₂浓度显著下降，且舱室内CO₂局部浓度偏高的区域面积大大减少，这说明提高CO₂吸收装置风量对于降低密闭舱室CO₂浓度以及减少CO₂在密闭舱室内的局部聚集有显著作用，合理设计CO₂吸收装置风量，对改善密闭舱室内人员的呼吸舒适度有着重要意义。

3）舱内布置对CO₂浓度分布的影响

实际上，密闭舱室内CO₂浓度分布除了与空调、CO₂吸收装置风量有关，还与载人舱内的布置密切相关，图10为本文中舱内设备、人员、空调、CO₂吸收装置等分布情况。

可知，前后两耐压舱分别为人员休息区和工作区，2舱各配置有一台CO₂吸收装置，载人舱内共有3人，其中1人在休息区域，处于休息状态，2人在工作区域，处于工作状态，图11和图12分别为不同空调风量和不同CO₂吸收装置风量下人员呼吸区域（距甲板高度1.6 m）内CO₂浓度沿舱室分布的情况。

可知，针对不同的CO₂吸收装置风量和空调风量，对人员呼吸区的CO₂分布浓度进行研究，各工况CO₂浓度沿舱室分布的趋势高度一致，工作区的CO₂浓度均高于人员休息区，这是因为人员休息区和工作区等额配置了一台CO₂吸收装置，但休息区的人数比工作区的人数少，工作区乘员呼出的CO₂更多，故表现出更高的CO₂浓度。

图13为休息区和工作区的CO₂吸收装置送风截面的CO₂浓度分布情况。

可知，休息区CO₂浓度分布显著低于工作区，同时，休息区的CO₂浓度分布更加均匀，而工作区CO₂吸收装置出风口附近的设备背风侧存在局部CO₂积聚的现象。这表明舱内设备的布放会显著影响舱室内的气流组织分布，故在总布置设计时，应避免在CO₂吸收及空气净化等装置的出风口附近布置设备，以避免因局部有害气体积聚而威胁到站员身体健康。

5 结　语

1）网格敏感性研究结果表明，采用不同尺寸的网格开展数值计算，仿真结果均与理论计算结果较为接近，说明了本文的数值计算结果可信。

2）通过研究空调装置风量对舱内CO₂分布的影响，结果表明，提高密闭舱室内空调风量，可加强舱室内气流循环速度，从而有效减少CO₂在局部区域的积聚。

3）通过研究CO₂吸收装置风量对舱内CO₂分布的影响，结果表明，提高CO₂吸收装置风量对于降低密闭舱室CO₂浓度以及减少CO₂在密闭舱室内的局部聚集有显著作用，合理设计CO₂吸收装置风量，能够有效改善密闭舱室内人员的呼吸舒适度。同时，数值计算结果与本文采用的理论计算结果高度吻合，工程实际应用中，在事先获知了CO₂吸收装置吸收效率的前提下，可以直接使用本文采用的理论计算方法粗估舱内CO₂平衡浓度。

4）人员分布与设备布置情况对舱内CO₂分布有明显影响，人员分布密集的区域，CO₂浓度将明显上升，此外，设备应避免布置在CO₂吸收装置送风口附近，否则可能导致局部CO₂浓度过高，进而对站员身体健康产生不利影响。